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“いつもとは一味ちがう” H-IIAロケット26号機に反映された「基幹ロケット高度化技術」

2014年12月1日(月)

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いつも安定した打ち上げで宇宙機を宇宙へ運ぶH-IIAロケット。今回は「はやぶさ2」をはるか深宇宙へ送り出すために普段とちょっと異なる部分があるようです…。今回26号機に反映された新たな改良についてご紹介します。

「基幹ロケットの高度化」ってナンだ?

基幹ロケット(H-IIAロケット)は運用を始めてから10年以上が経ち、その間、世界トップレベルの優れた打ち上げ実績を上げています。
「基幹ロケットの高度化」とは、今後も日本が独自に宇宙空間へ物資を運ぶ能力を維持・向上していくため、H-IIAロケットの第2段部分を中心に行われている改良です。
JAXAでは、基幹ロケットの高度化として様々な改良を行いH-IIAロケットの国際競争力の向上を目指しています。いくつかある課題の一つ「静止衛星打ち上げ能力向上」の取り組みの中には、
(a)慣性飛行可能な時間の延長(1時間→5時間)
(b)2段エンジン再々着火技術の開発、があります。

H-IIAロケットの第2段ロケット。飛行時間が長くなれば、より遠くの軌道まで衛星を運んで分離することができるようになる。本格的な飛行実証は平成27年度予定。

H-IIAロケット26号機ではどんな点が「高度化」したの?

H-IIAロケット26号機にも、「基幹ロケット高度化」の開発成果が取り入れられています。
26号機は地球を一周した後に、「はやぶさ2」を分離する飛行計画になっているため、第2段エンジンの第1回燃焼終了(打ち上げ後11分18秒後)から第2回燃焼開始(同 1時間39分23秒後)までの飛行時間が1時間28分5秒間と、これまでで最も長くなります。必要な燃料(液体水素・液体酸素)はどんどん気化していきますから、飛行時間が長いと燃料の消費量も増えてしまいますが、これを抑えるために、基幹ロケット高度化技術として開発された「慣性飛行可能な時間の延長」の技術が反映されました。

(1) 第2段の液体水素タンクの表面が白色に!

普段はオレンジ色の部分が、白色に塗装される(赤枠部分) 写真はH-IIAロケット21号機で飛行実験した際のもの

ロケットは慣性飛行している間も太陽の熱にさらされています。 第2段の液体水素タンク表面に白色の断熱材を表面に塗って機体の温度上昇を減らし、液体水素が気化する量を減らすことを狙います。


ホシモのここが気になる
ロケットで色が違う部分があるのはなぜだろう……

ロケットのオレンジ色の部分は、断熱材の色です。断熱材は燃料タンクの上に直接吹きかけていて最初は薄い黄色なのですが、紫外線に当たると化学反応でオレンジ色に変化します。
真ん中の黒い部分は第1段ロケットと第2段ロケットをつなげる部分で、軽くて丈夫な炭素繊維という素材でできています。ここには燃料が入っていないため、断熱材を塗る必要がなく、素材の色(炭素だから黒い)そのままになっています。
ロケットの先端を覆う衛星フェアリングも白色ですが、これも断熱材の色です。ロケットが超高速で飛んでいくときに空気との摩擦で温度が上がってしまうのを防いでいます。

オレンジに変色する第1段ロケットの断熱材はPIF(ぴふ|ポリイソシアヌレートフォームの略)とよぶ。

(2) 第2段の液体酸素ターボポンプをじわじわ冷やす仕組みを追加

燃料(液体水素・液体酸素)をエンジンに送り込む役割を担う「ターボポンプ」は、ロケットが慣性飛行している間も定期的に冷やす必要があります。冷やすのに使う液体酸素の消費量が3分の1程度で済むように、じわじわ冷やす系統(トリクル予冷系統、と呼ぶそうです)を新たに追加しました。

トリクル(trickle)とは〈液体が〉したたる,ぽたぽた落ちる,ちょろちょろ流れる等の意味を持つ英語


ホシモのここが気になる
どうして気化しやすい液体水素が燃料に使われているのかなあ……

液体水素は、気体の水素を沸点である-253℃以下に冷やして液化したものです。
気体の水素を液化すると、その体積は約800分の1まで小さくなるほか、比重は水の14分の1になるため、この状態でロケットに積み、燃料として使用することは非常に効率が良いのです。
液体水素は比推力にも優れているため、H-IIAロケットをはじめ、世界の液体燃料ロケットの多くで燃料として利用されています。
反面、水素はとても気化しやすい性質をもっており、液体水素の極低温の状態を維持するため燃料タンクの断熱性能を高め、気化によって失われる損失をいかに防ぐかが重要な課題なのです。

H-IIAロケットは打ち上げ直前まで、気化する分の液体水素/酸素を燃料タンクに継ぎ足している
画像中では、気化した酸素が急激に周囲の水蒸気を冷却して白く煙のように見えている

世界の衛星打ち上げ輸送サービス市場は欧米のロケットが高いシェアを占めています。この市場を切り拓いてくために我らがH-IIAロケットも着々と自分磨きを続けていたのですね…!今後のさらなる活躍に大いに期待したいところです。

参考リンク:

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コメント
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今まで静止衛星は、軌道に乗るために、ロケットから分離した後に、遠地点に到達したときに自力でアポジ噴射をしていますが、それが要らなくなるという、「夢の再々着火」機能が、実現する日が近づいていたんですね。
夢すぎて実現不可能なものだと思ってました。

海外でのロケットでは、静止軌道よりももっと遠くに飛ばして後で高度落とす?方法や、衛星がイオンエンジンで移動する?方法なんかで、衛星の燃料が長持ちするらしい(=衛星が末永く使える)ですね、そういうのも取り入れて最強の輸送が実現出来たらいいなとか。海外との競争、特許とかあるんでしょうかね?
日本の技術で世界に立つには!頑張ってもらいたい!

はやぶさ2本体や相乗り宇宙機を切り離した後のロケット2段目はどうなるのでしょうか?
HTVの場合は計画的に東部南太平洋に落下させていると聞きましたが、今回の場合は人工惑星になるのでしょうか。

最後の写真で「水蒸気や煙のように見える白いもの」は「気化した水素」とあるのは「気化した酸素」の間違いでは?

ご指摘ありがとうございました。画像では第二段ロケットの液体水素/液体酸素タンクが両方写っているので、「気化した水素/酸素」と併記するようにお詫びして訂正いたします。なお「白いもの」の表現についてはkemetankun様への返信の通りといたします。

記事の写真コメント中の「水蒸気や煙のように見える白いものは気化した水素」とありますが、液体水素に触れた空気中の水分が霧状になったものではないでしょうか?そもそも気化した水素が見えるのでしょうか?

ご指摘ありがとうございました。関係者に確認したところ「気化した水素/酸素が急激に周囲の水蒸気を冷却して白く煙のように見えている」という表現が正しいことが分かりました。お詫びして訂正いたします。

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