H-IIAが初めて飛行するスーパーシンクロナス軌道と、次世代ロケット「H3」

三菱重工は2021年11月8日、H-IIAロケット45号機のコア機体を公開した。

ロケットは今年12月21日、英国インマルサットの通信衛星「インマルサット6 F1」を載せて打ち上げられる予定。インマルサットは長い歴史と高い実績をもつ世界的な衛星通信会社であり、搭載する衛星は同社にとって最新鋭の次世代型衛星の1号機となる。

連載の第1回では、初打ち上げから20年を迎えたH-IIAの概要と今号機のミッションについて、第2回では“ロケットの目利き”でもあるインマルサットが、なぜ重要な衛星の打ち上げに三菱重工のH-IIAを選んだのかについて解説した。

今回は、インマルサットの衛星が打ち上げられる「スーパーシンクロナス・トランスファー軌道」と、次世代ロケット「H3」について解説する。

• 製造されたH-IIAロケット45号機の第1段機体 (C) 鳥嶋真也

H-IIAにとって初のスーパーシンクロナス軌道への打ち上げ

今回の打ち上げは、H-IIAロケットにとって初となる、「スーパーシンクロナス・トランスファー軌道(Super-Synchronous Transfer Orbit:SSTO)」への打ち上げとなる。

SSTOとは、ロケットで静止衛星を打ち上げる際に使う軌道の種類のひとつで、通常使われる「静止トランスファー軌道(GTO)」に比べ、衛星の負担を軽減できる利点がある。

静止衛星が運用される静止軌道は、赤道上空の高度約3万5800kmを回る円軌道である。しかし、ロケットが直接、静止軌道に衛星を投入することは、エネルギー的にも技術的にも難しい。

そこで多くの場合、GTOで衛星を分離する。GTOはいわば「静止軌道の一歩手前」の軌道で、楕円形をしており、楕円の中で地球から最も遠く離れた点(遠地点)の高度は約3万5800kmと静止軌道と同じなものの、地球に最も近い点(近地点)の高度が数百kmしかない。また多くの場合、軌道の角度(軌道傾斜角)も赤道面から傾いている。

そのため、ロケットから分離された衛星は、自身の推進系(スラスターと燃料)を使って、近地点高度を上げ、さらに軌道の傾きを直し、赤道面、つまり0°にして、静止軌道に乗り移る必要がある。

このために必要なエネルギー、正確には増速量は、そのまま衛星の質量や寿命に直結する。たとえば、必要な増速量が多ければ、衛星に燃料をたくさん積む必要があり、その分重くなったり、軌道を維持するために使う燃料や、搭載できる機器の数が少なくなったりする。逆に、その増速量を小さくできれば、同じ質量でもより多くの燃料や機器を搭載できるようになり、寿命や能力を向上させることができる。

この増速量を小さくするためには、静止軌道のある赤道付近から打ち上げるのが最適である。この場合、まっすぐ東に飛ばせば軌道傾斜角がほぼ0°の軌道に入れるため、GTOから静止軌道に乗り移る際には近地点高度だけ合わせればいい。欧州のアリアンスペースは、南米仏領ギアナから打ち上げることでこれを実現しており、GTOから静止軌道に乗り移るのに必要な増速量は1500m/sほどとなる。

一方、日本や米国など、緯度の高い地域から打ち上げると、赤道からの傾きは大きくなってしまう。そのため、高度とともに軌道傾斜角も修正しなければならず、たとえば種子島から打ち上げた場合の必要な増速量は1830m/sにもなる。これでは、アリアンのロケットで打ち上げることを前提に造った衛星が打ち上げられなかったり、アリアンで打ち上げるよりも寿命が短くなったりするため、商業打ち上げにおいて大きなハンデとなっていた。

それを解決するひとつの方法が、今回使われるSSTOという軌道である。SSTOの鍵は、「遠地点高度を、静止軌道の高度よりもうんと高い軌道に衛星を乗せる」ということ。通常のGTOの遠地点高度は静止軌道と同じ約3万5800kmだが、SSTOではロケットのエンジンをより長く噴射するを長くすることで、遠地点高度6万kmや10万kmといった軌道に衛星を乗せるのである。

遠地点では衛星がもつ運動エネルギーの多くが位置エネルギーに変換される。このため、軌道傾斜角を同じだけ修正するとしても、低い高度で行うより、高い高度で行うほうが、より少ないエネルギーで変更できる。

つまりSSTOを使えば、通常のGTOから行うよりも少ない燃料で静止軌道に乗り移ることができるのである。最終的に遠地点高度を静止軌道と同じ高度へ下げる必要はあるが、それでもトータルでは燃料の消費量は少なく済む。

今回のH-IIAロケット45号機では、インマルサット6 F1を遠地点高度約6万5000kmの軌道に乗せる。インマルサット6 F1はロケットから分離されたのち、電気推進で徐々に軌道傾斜角、近地点高度、遠地点高度を変え、最終的に運用を行う静止軌道に乗り移る。必要な増速量は約1600m/sであり、アリアンほどではないにせよ、H-IIAで通常のGTOに打ち上げた場合よりははるかに少ない。

ただ、この打ち上げ方法の場合、ロケットの打ち上げ能力は、通常のGTOに打ち上げるよりも少し落ちる。たとえばH-IIA 204は、通常のGTOへは最大5950kgの打ち上げ能力をもつが、今回の場合は、5470kgのインマルサット6 F1を打ち上げるのでほぼ精一杯となる。

ちなみに、増速量1500m/sになるSSTOもあるが、その場合は打ち上げ能力がさらに下がってしまう。打ち上げる衛星の質量と削減できる増速量のバランスから、今回はこれが最適となる。

SSTOへの打ち上げは、他国のロケットではよく用いられてはいるが、H-IIAにとっては今回が初めてとなる。なお、SSTOは通常のGTOに比べ、軌道の形こそ大きく違うものの、ロケットにとっては第2段エンジンの燃焼時間が若干長くなる程度であり、打ち上げ準備や運用、使用する地上局などに大きな違いはないという。

また、遠地点こそ通常のGTOより遠いものの、近地点は高度300km弱なので、H-IIAの第2段機体は比較的早く大気圏に再突入して燃え尽きるため、宇宙ごみ(スペース・デブリ)化する危険性もこれまでと同じくらい低いとしている。

• H-IIAロケット45号機の第2段機体。この機体のエンジンを通常より少し長く噴射することで、衛星をスーパーシンクロナス・トランスファー軌道へ投入する (C) 鳥嶋真也

そしてH3ロケットへ

初打ち上げから20年を迎えたH-IIAロケットは、2023年度の50号機、すなわち今回を含めあと6機をもって運用を終えることになっている。そのあとは、現在三菱重工とJAXAが開発中の「H3」ロケットがその任を受け継ぐことになる。

なお、H3ロケットで今回のような静止衛星を打ち上げる場合には、「高度化GTO」と呼ばれるまた別の打ち上げ方法を使うことで、アリアンなどと同じ増速量1500m/sのGTOへの打ち上げを実現する。

その実現の鍵となるのは「高度化GTO」である。通常のGTOに投入後、ロケットは衛星を搭載したまま約4時間ほど飛行を続け、高度約3万5800kmの遠地点に達したところでロケットのエンジンを再度噴射。そして、近地点高度と軌道傾斜角を静止軌道に近づけた「高度化GTO」に乗ったところで、ロケットから衛星を分離するのである。いわば、衛星が静止軌道に乗り移るのに必要な増速量を、ロケットが肩代わりするような打ち上げ方法である。

この打ち上げ方法は、2011年度から行われた「基幹ロケット高度化」で開発されたもので、すでにH-IIAにも採用され、2015年には飛行実績もある。もっとも、H-IIAをこの方法で打ち上げる場合、通常のGTOはもちろん、SSTOに打ち上げるよりもロケット側のエネルギー負担が大きくなる(その分衛星側の負担は軽くなる)ため、最大4820kgの衛星しか打ち上げられない。

だが、H3は打ち上げ能力が大きく向上し、さらにコストダウンも図られている。すなわち、アリアンと同じ条件の軌道に向けて、H-IIAよりも重い6500kg以上の衛星を、H-IIAよりも安価に打ち上げられるようになる。これにより、商業打ち上げ市場における国際競争力の大幅な強化が実現する。

H3ロケットは現在、今年度中の試験機1号機の打ち上げに向けて、開発のクライマックスを迎えている。

H-IIAとH3の製造が同時に進む飛島工場で、徳永氏はこれからの課題として、「H-IIAでつちかってきた実績や信頼性、私たちのやり方を、現在開発中のH3にどうやってつなげていくかが重要」と語った。

そして、「米国スペースXの低価格なロケットなどと比べると、H-IIAは打ち上げ価格が高いことがネックになっています。それを踏まえ、H3では低価格化、国際競争力の強化を意識しています。ゆくゆくは世界の潮流に引けを取らないロケットにしていきたいと思います」と続けた。

長年にわたる不断の努力でつちかわれた、日本と三菱重工のロケットの実績と信頼。そのひとつの集大成として、そして未来へバトンを受け継ぐために、H-IIAロケット45号機は宇宙へ飛び立つときを今か今かと待っている。

• H-IIA/Bの後継機として開発中の、H3ロケットの想像図。今年度中の試験機1号機の打ち上げを目指している (C) JAXA

【参考文献】

・三菱重工 | 英インマルサット社の次世代通信衛星網「Inmarsat-6」シリーズ初号機衛星を打上げ　三菱重工のH-IIAロケット45号機により、12月21日深夜に種子島宇宙センターから
・I-6 F1 - Inmarsat
・H-IIA User's Manual
・ORION: A Supersynchronous Transfer Orbit mission - NASA Technical Reports Server (NTRS)
・H-IIA｜ロケット｜JAXA 宇宙輸送技術部門