宇宙技術開発株式会社

世界の輸送システム(ロケット等)事情

最終更新 2019.06.28

はじめに

「輸送システム」という言葉に、馴染みの薄い方もおいでかもしれません。宇宙業界でも使われ方は様々ですが、地上から衛星などのペイロードを打ち上げるロケットなど宇宙への打ち上げ・輸送を行うシステム全般のことを「輸送システム」と使うことが多いようです。

輸送システムの現状は、以前と比べて大きく様変わりし、他国のペイロード(衛星など)を「如何に確実に」、「安く」打ち上げるか、民間企業も参入して、より安く打ち上げる競争時代へと突入しています。

ここでは、現在打ち上げに利用しているロケットを中心に、焦点を絞って紹介いたします。なお、2019年時点のトレンドとしては、以下のような特徴があります。

  • スペースX社のファルコン9ロケットによる商業衛星打ち上げ費用の価格破壊に対応するため、各国共に次世代機でのコスト削減を目指し、信頼性・コスト競争力のないロケットは統廃合へ。
  • ブルー・オリジン社や中国、米国・ロシア・欧州まで回収型ロケットを開発して打ち上げコスト競争に突入。
  • 価格の安かったロシアのロケットは信頼性低下に伴い、シェアも低下。ロシアは次世代機の開発へ移行。
  • 協調路線だった米露がウクライナ問題を契機に対立し、アメリカは主要ロケットの1段で使用しているロシア製エンジンの調達問題に悩まされており、国産エンジンを開発して切り替える方針。
  • 中印が新型のロケットを開発しており、勢いを増す。
  • 民間企業の動きが活発化し、超小型衛星の打上げ専用ロケットを開発中。
  • アメリカのSLS、中国の長征9号、ロシアの重量物運搬ロケット開発の動きがあり、打上げ能力100トンを超えるロケットが復活する可能性。また、民間企業もスペースX社のBFR、ブルー・オリジン社のニューグレンを開発して参入予定。
  • 射場の追跡システムは、レーダーからGPS追尾へ切り替え(2014年夏に米国は更新終了)。

米国の輸送システム

射場よりデルタ4
射場よりデルタ4

米国のロケットの代表格であるデルタロケットとアトラスロケットは、弾道ミサイルとして開発されたものが1950年代後半に衛星打ち上げ用に転用され、打上げ能力の向上が図られてきました。現在は、「デルタ4 (Delta-IV)」及び「アトラス5 (Atlas-V)」が利用されていますが、次世代機として、ヴァルカン(Vulcan)ロケットの開発が行われています。

現在のデルタシリーズは「ボーイング(Boeing)社」、アトラスシリーズは「ロッキード・マーティン(Lockheed Martin)社」が元請業者になっており、両社は、「ユナイテッド・ローンチ・アライアンス社(ULA: United Launch Alliance)」という合弁会社を作って商業打ち上げを行っています。

アトラスVロケットの1段エンジンには、非常に高性能なロシア製のRD-180エンジンが使われているため、2014年に起きたロシアのウクライナ侵攻問題を受けて、米露の間でもこのエンジンを巡る駆け引きが起きており、米国製エンジンを使うヴァルカンロケットの開発へつながりました。

sts-135
sts-135

1981年4月12日に1号機が打ち上げられた「スペースシャトル」は、1986年1月28日のチャレンジャー(STS-51L)号事故、2003年2月1日のコロンビア(STS-107)号事故を起こしました。コストの削減ができなかったため、国際宇宙ステーション(ISS)の組み立てを終えると2011年7月のSTS-135ミッションをもって退役しました。

NASAの次世代有人打上げロケットについては、シャトル退役前に提案されていたアレスロケットがキャンセルされるなど二転三転し、2011年にSLS (Space Launch System)開発計画が発表され、有人打上げ型と重量物打上げ型(あるいは初期型、後期型)の2つのタイプが開発されることになっています。有人打上げ型は、カプセル型のオリオン(Orion)宇宙船の打上げに使われるロケットで、重量物打上げ型はそれをベースに打ち上げ能力を強化したもので、いずれのタイプでも使われる固体ロケットブースタとメインエンジンはシャトル計画で使っていたものを改良して使います。

有人打上げ型のSLSは2020年末に最初の無人飛行試験機EM-1(Exploration Mission 1)の打ち上げを予定しています。全長は97m、低軌道に70トンの打ち上げ能力があります。オリオンMPCVは、低周回軌道へのミッションであれば最大6人が搭乗可能な機体設計ですが、月ミッションでは最大4人乗りで使うことになります。

2012年5月22日にスペースX(Space X)社の無人補給機ドラゴン(Dragon)の試験機がファルコン9(Falcon9)ロケットで初打ち上げ成功し、商業打ち上げの幕を開けました。次いで、2013年9月18日にオービタル社(現在はノースロップグラマン社)のシグナス(Cygnus)試験機がアンタレス(Antares)ロケットで打ち上げに成功。また、宇宙飛行士の商業輸送についても、スペースX社の有人型ドラゴン(Dragon V2)と、 ボーイング社のCrew Space Transportation(CST)-100の開発が行われました。シエラ・ネバダ・コーポレーションも有人打ち上げが可能な小型有翼機ドリーム・チェイサー(Dream Chaser)の開発を進めていますが、こちらはNASAの選定から漏れたため、無人での貨物輸送からスタートします。ドリーム・チェイサーとCST-100は有人対応型のアトラスVロケットを使って打ち上げられる予定です。

ファルコン9ロケットは、2015年12月に改良型のファルコン9の1段回収に初成功し、2017年12月には回収した1段ブースターを再利用して行った2回目の打ち上げにも初成功しました。2018年5月からは回収後の整備性を向上させるなど、回収・再使用を前提とした設計を反映させたファルコン9 Block 5ロケットがデビューし、打上げコストをさらに削減させる取り組みを進めています。回収して再使用するのがもはや基本になっていますが、打ち上げ能力を増大させる場合は、着陸脚4本などを装備せずに使い捨てコンフィギュレーションで打上げることもあります。ファルコン9 Block 5は、有人型のドラゴンロケットを載せて有人打上げにも使われることになっており、初期のファルコン9と比べると打ち上げ能力だけでなく、信頼性も大きく向上させています。

2018年2月には、ファルコン9にブースター2本を追加して打ち上げ能力を向上させたファルコンヘビー(Falcon Heavy)ロケットもデビューしました。こちらはブースター2本を射点に同時に着陸させて回収したことで鮮烈な印象を与えました。またスペースX社は、BFR(Big Falcon Rocket)というさらに大型のロケットの開発を進めています。

米国の宇宙機関のロケット打ち上げ基地といえば、最も有名なのはフロリダ州のNASAケネディ宇宙センター(KSC)です。スペースシャトルも、ここから打ち上げられました。その他、ケネディ宇宙センターに隣接しているケープカナベラル空軍基地や、西海岸ではカリフォルニア州のヴァンデンバーグ空軍基地の射場が利用されています。また、バージニア州東海岸のワロップス島にあるワロップス試験発射場からは、アンタレスロケットの打ち上げが行われています。

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欧州の輸送システム

ヨーロッパの宇宙輸送システムの代表格は、アリアンスペース社の「アリアンロケット」でしょう。南米ギアナにある欧州宇宙機関(ESA)のクールー基地から打ち上げられています。

アリアンロケットには、4型の様に開発された初期のアリアン5型(Ariane 5 Generic)では静止遷移軌道に6トン、2005年から導入された改良型のアリアン5 ECAでは静止遷移軌道に10トンの打ち上げ能力を持っています。

アリアン5
アリアン5

アリアン5では商業衛星2機を同時に打上げることで打ち上げ費用を安価にする手法で、世界中の商業打ち上げのほとんどをアリアンスペース社が受注していましたが、市場環境の変化が訪れているため次世代型のアリアン6型(Arian 6)ロケットの開発が行われています。

アリアンスペース社は、アリアンロケットよりも小型のペイロードの打ち上げには、「ヴェガ (Vega)」ロケットを使用しています。「ヴェガ」は4段式の固体ロケットです。軌道傾斜角90度、700kmの円軌道に1,500kgのペイロードを打ち上げる能力があり、2013年2月13日に南米ギアナにあるクールー宇宙基地から1号機が打ち上げられました。2020年には打ち上げ能力を2.2tに上げた改良型のヴェガC(Vega-C)がデビューする予定です。また、中型のロケットとしてはロシアの「ソユーズST」ロケットをクールー基地から打上げており、2011年10月に初打上げを成功させています。ソユーズSTロケットは、ソユーズ-2.1a、2.1bロケットを熱帯地域からも打ち上げられるようクールー基地に合わせた仕様に若干改修を加えたものです。

アリアン6は、アリアン64(A64)アリアン62(A62)の2機種が開発されて、アリアン5とソユーズSTロケットと置き換えられる計画になりました。アリアン64と62は、SRBの本数を4本か2本に変えることで打上げ能力を変える計画です。アリアン64は静止遷移軌道への打上げ能力が最大9.3トン(A62は3.5-5トン)で、2020年の初打上げを目指しています。

参考記事サイト

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ロシアの輸送システム

ロシアのロケットの代表格は、ソユーズ(Soyuz)プロトン(Proton)ロケットでしょう。ソユーズロケットは、元々は大陸間弾道ミサイルとして開発が進められたR-7ロケットをベースに開発されたものです。

宇宙飛行士などの打ち上げには、「ソユーズ-FG(Soyuz-FG)」ロケットが使われていましたが、民間の人工衛星打ち上げ用には打ち上げ能力などを改良したソユーズ2ロケット(静止遷移軌道に2.7-3.6トンの打ち上げ能力)が使われています。ソユーズUとFGはウクライナから輸入した部品を使うことから廃止され、ロシア製の部品に置き換えるなど能力も向上させたソユーズ2(2.1aと2.1b)へ完全に移行します。2013年末には同じソユーズという名称ですが、機体構造やエンジンを大きく見直した新型の小型ロケットソユーズ2.1vロケットがデビューしました。

プロトンシリーズのロケットも、元は弾道ミサイルなどの軍事目的に開発されたロケットです。

プロトンM(Proton-M)は、2001年から導入されたプロトンKの改良型であり、ペイロードを入れる先端部(フェアリング)の容積も大きくなり、静止遷移軌道に5.5トン(初期モデル)の衛星を投入できます。2012年3月20日に最後のプロトンKロケットの打ち上げが行われ、それ以降、プロトンMへ切り替えられました。この切り替えはウクライナ製の機器への依存を下げる目的もありました。プロトンMも年々改良が行われており、2009年2月にデビューしたフェーズIIIでは打上げ能力が1,150kg向上し、静止遷移軌道に6.1トンの打上げが可能になっています。さらには2016年にデビューしたフェーズIVでは6.3トンにまでさらに能力が向上しました。しかし、2010年から毎年1機は打上げに失敗するようになり、ロシアの品質管理の問題が浮き彫りになりました。また、推進薬に有害な燃料を使っている点でも環境に悪影響を与えるとしてカザフスタンから懸念されており、新型のアンガラロケットに切り替わることになるでしょう。

ロシアでは、プロトン、ロコット、ゼニットロケットなどに代わる新型ロケットとしてアンガラロケットが開発されており、2014年に、初飛行しましたが、2019年現在もまだ運用段階には入っていません。プロトン、ロコットロケットのように有害な推進薬を使用せず、液体酸素とケロシンを使用するロケットのため、環境汚染も軽減されるほか、モジュラー構成の設計のため、小型ロケット、中型ロケット、大型ロケットの全てをカバーできるようになります。小型のアンガラ1.2は低軌道に3.8トン、中型のアンガラA3は低軌道に14.6トン、大型のアンガラA5は24.5トンの打上げ能力となります。

さらに、100トン以上の打上げ能力を持つ新たな超重量物運搬ロケットの開発に着手するという情報も出ています。このロケットは、ソユーズ5をベースに大型化する計画です。

ロシアはこれまで、バイコヌール宇宙基地(カザフスタン共和国)とプレセツク宇宙基地を主に使っていましたが、極東に新しいボストチヌイ宇宙基地を建設しました。

また、「ドニエプル(Dnepr)ロケット」も有名です。ドニエプルロケットも弾道ミサイルとして開発された機体を打ち上げ用ロケットに転用したものですが、現在は1997年に設立されたコスモトラス(Kosmotras)社によって商業打ち上げが行われており、カザフスタンのバイコヌール宇宙基地とロシアのヤースヌイ宇宙基地の地下サイロから打ち上げられています。2005年8月23日には、JAXAの光衛星間通信実験衛星「きらり」(OICETS: 約570kg)がドニエプルロケットで高度610kmに打ち上げられています。ドニエプルロケットは2013年11月には合計32機の衛星打ち上げに成功し、2014年6月にも合計37機(ロケットから直接放出した数は33機)の打上げを行っており、日本のWINISAT-1、「ほどよし3号」、「ほどよし4号」の打ち上げに使われるなど、日本とも関係の深いロケットです。2014年11月には、ASNARO-1と、「ほどよし1号」、ChubuSat-1、TSUBAME、QSAT-EOSの5機の打上げも実施されました。

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中国の輸送システム

中国は、大型ロケットとして「長征」を開発し、自国の通信衛星や測位衛星などを始め多くの衛星を打ち上げています。現在では長征2C、2D、2F、長征3A、3B、3C、長征(CZ)4B、4Cロケットが利用されており、「長征2F(CZ-2F)」ロケットが2003年10月15日に有人宇宙船「神舟(シェンチョウ)5号」打ち上げ成功を収め、ロシア、米国に次ぎ3番目に宇宙へ有人飛行を成功させました。

中国の打ち上げ基地は、甘粛省の酒泉(チウチュワン)、四川省の西昌(シーチャン)、山西省の太原(タイユワン)に加え、4か所目となる海南島の文昌に、大型の長征5号の打ち上げ基地が作られました。

西昌宇宙センターは酒泉や太原より低緯度にあるため、静止軌道への打ち上げ用の長征3シリーズの打ち上げに利用し、有人宇宙船「神舟(シェンチョウ)」は、甘粛省の酒泉から打ち上げられています。

長征4号は有害な推進薬が使われていましたが、環境負荷が低い液体酸素とケロシンを使う次世代機の長征5号、6号、7号が開発されました。長征5号は、有人打上げにも使える大型ロケットで、低軌道に25トン、静止遷移軌道へ14トンの打ち上げ能力を有します。長征6号は小型で、長征7号は中型クラスです。更に固体ロケットの長征11号が開発されました。

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インドの輸送システム

インドは、現在PSLVGSLVという2つのロケットを有しています。PSLV(Polar Satellite Launch Vehicle)は、極軌道衛星打ち上げ用に開発された小型ロケットで、2段と4段の液体ロケット以外は固体ロケットを使用しています。1993年から使用を開始しており、SRBを装着しないPSLV-CA(Core Alone)型と、打上げ能力を強化するために6本のSRBの推進薬を増やしたPSLV-XL型も使われています。さらには、SRBの本数変更が行われた派生型もあります。

PSLVは低周回軌道への打上げだけでなく、静止遷移軌道への打上げに使われたこともありますし、月探査衛星チャンドラヤーン-1の打上げなどにも使われています。またインド宇宙機関(ISRO) の商業部門であるAntrix社により、商業打ち上げも行われています。PSLV-CAの低周回軌道への打上げ能力は約1,000kg、PSLVは1,600kg、PSLV-XLは1,750kgあります。

GSLV(Geosynchronous Satellite Launch Vehicle)は、静止衛星の打上げ用として2001年に開発されたロケットです。GSLV Mark-Iは、ロシア製の極低温エンジンを3段に使用したタイプで、GSLV Mark-IIは、その3段の極低温エンジンを国産化したタイプです。静止遷移軌道へ2から2.5トンの打上げ能力を有しています。

GSLV Mark-IIIは同じGSLVの名前ですが、固体ロケットブースターと、1段、2段を大型化した全く別物の新型ロケットで、静止遷移軌道への打上げ能力を4トンまで強化しており、日本のH-IIAに匹敵するロケットです。2014年に初打ち上げ(弾道飛行)が、2017年に衛星打ち上げが行われました。

参考サイト

日本の輸送システム

M5
M5

日本のロケットに関しては、JAXAのホームページや書籍でたくさん紹介されていますので、ここでは詳細を省き、ざっと概要を記述してみます。

戦後、航空機及びロケットに関する研究や開発が禁止され、事実上ゼロからの出発となった日本の航空宇宙産業ですが、平和目的の利用のために軍事とは切り離され、再開されることになりました。世界の基準に追いつき、且つ、純国産の目標を掲げて開発を進め、現在の大型ロケット「H-IIA」「H-IIB」があります。

「H-IIA」は2段式のロケットで、静止遷移軌道に4トンのペイロードを打ち上げる能力があります。補助ブースターには固体燃料を使っていますが、2段とも液体の推進剤を使っています。打ち上げは、鹿児島県種子島の種子島宇宙センターから行われます。「H-IIA」の打ち上げは2003年の6号機で失敗も経験しましたが、それ以降は成功をおさめています。

また、H-IIAの打ち上げ能力を増強した「H-IIB」ロケットは、H-IIAと同じく液体酸素と液体水素を推進薬とする2段式ロケットで、固体ロケットブースター(SRB-A)4本を標準で装着しています。H-IIAから増強された部分は、1基だった第1段液体ロケットエンジン(LE-7A)を2基装備すると共に1段の直径を4mから5mに拡大し、H-IIAの標準型では2本だったSRB-Aを4本装備していることです。H-IIBの1号機は、2009年9月11日に国際宇宙ステーションへの無人補給機HTV-1を打ち上げ、以降もHTV「こうのとり」の打ち上げに使われています。H-IIAロケットは商業打上げの競争力を確保するための改良(高度化)も2015年から導入されており、さらに、2021年の打上げを目指して次期基幹ロケット(H-3)の開発も始まりました。

中型の打ち上げロケットとしては、3段式の固体推進剤を使った「M-V(ミュー・ファイブ)」ロケットが活躍してきました。2006年の7号機を最後に退役しました。後継機のイプシロンロケットは、2013年9月14日に初打ち上げが行われました。イプシロンロケットは、H-IIAロケット補助ブースターを1段目に、2, 3段目にはM-Vロケット上段モータを使うという仕様で進められました。イプシロンロケットの打上げ能力は1,200kgと下がりましたが、コストを大幅に削減し、地上管制設備の自動化を進めるなどして組み立てや運用の効率化を図るという新たな領域を切り拓いています。イプシロンロケットの開発はまだ続いており、コストのさらなる削減、打上げ能力の増強などが進められています。

JAXAではその他に、SS-520、S-520、S-320という固体推進剤を使った観測ロケットが継続して運用されています。

参考サイト

ロケット性能比較概要
ロケット性能比較概要
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各国のサイトに記述がないものについては、以下ページの打ち上げ能力、及び、ロケットが打ち上げたペイロードなどを参照、JAXA、NASA、ESAなどのぺージを確認させていただきました。