次世代スペースシャトル: ハイブリッドエンジンが滑走路から軌道へのミッションを実現

巨大な通気口に取り付けられたジェットエンジンが、イギリスのオックスフォードシャー州カルハム科学センターの屋外試験施設に置かれている。エンジンが始動すると、通気口から蒸気の柱が吹き出し、まるで産業用の煙突のような印象を与える。エンジニアのアラン・ボンドは、もっと未来的なものを思い描いている。「私たちは輸送の革命を目の当たりにしているのです」と彼は言う。ボンドにとって、このエンジンは世界初の完全に再利用可能な宇宙船の始まりを象徴するものであり、宇宙船がこれまで実現できなかったこと、つまり、信頼性が高く、手頃な価格で、低地球軌道への定期的な往復アクセスを提供することを約束する新しい種類の乗り物である。

ボンド氏と、1989年に2人の同僚と設立した航空宇宙会社リアクション・エンジンズのエンジニアたちは、この未来の飛行機を「スカイロン」と呼んでいる。この飛行機はコンコルドを思わせる胴体を持ち、従来の旅客機のように離陸し、マッハ5.2まで加速し、ロケットのように大気圏から飛び出す。帰路では、スカイロンは離陸したのと同じ滑走路に着陸する。

ボンドの相乗的空気吸入式ロケットエンジン（セイバー）は、化学ロケットとジェットエンジンを組み合わせたもので、スカイロン計画の実現を可能にする。セイバーは、スペースシャトルのような外部の液体酸素タンクではなく、空気中の酸素を使用できるというユニークな機能を持つ。宇宙船に固定されたこの種のエンジンは、人や物を宇宙に打ち上げるのに時間と費用がかかる使い捨てのブースターの必要性を排除する。「スカイロンは、着陸後2日以内に宇宙に戻る準備ができる可能性がある」と、リアクション・エンジンズの将来プログラム担当ディレクター、マーク・ヘンプセル氏は言う。比較すると、外部燃料タンクと2つのロケットブースターを必要とするスペースシャトルは、方向転換に約2か月かかり（打ち上げと着水中に受けた損傷のため）、費用は1億ドルだった。スカイロンのシンプルさを挙げ、ヘンプセル氏はミッションの費用は1千万ドル程度になると見積もっている。この価格は、民間宇宙飛行会社スペースXが2段式ファルコン9ロケットで貨物を打ち上げるために請求する予定の5000万ドルよりも安いものとなる。

エンジンは宇宙へ向かって進むにつれて信じられないほどの熱を発し、熱は問題となる。熱い空気は圧縮するのが難しく、燃焼室での圧縮が不十分だとエンジンは弱く非効率になる。セイバーは、その空気をターボコンプレッサーに送る前に急速に冷却できなければならない。11月、リアクションエンジンは試作機が猛烈な熱気を吸い込み、ミッション終了の霜を発生させることなく急速冷却する能力をテストすることに成功し、重要な節目を迎えた。英国の大学・科学大臣デビッド・ウィレット氏は、この成果を「素晴らしい」と評した。

スカイロンのコンセプトは欧州宇宙機関（ESA）にも好印象を与えた。ESAは昨年、リアクション・エンジンズの設計を監査し、この宇宙船の建造に技術的な障害はないと結論付けた。より大きな課題は資金の確保かもしれない。ESAと英国政府はこのプロジェクトに合計9200万ドルを投資しているが、ボンド氏と彼のチームは、エンジン完成に必要な残りの36億ドルを公的および民間の投資家に頼る計画だ。エンジンは今後4年以内に飛行試験の準備が整うと彼らは言う。宇宙船自体の建造には、はるかに巨額の140億ドルの投資が必要になる。

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単段式軌道投入宇宙船（SSTO）の実現に向けた取り組みは、何十年もの間、航空宇宙技術者を悩ませてきた。ボンド氏自身のこのテーマへの取り組みは、1980年代初頭、若きエンジニアとしてロールス・ロイス社に勤務し、ブリティッシュ・エアロスペース社向けの再利用可能宇宙船の開発チームの一員だったときに始まった。ハイブリッドエンジンのアイデアを思いついたのはそのときだった。しかしチームは、重量を増やさずに超音速でエンジンを冷却する方法を模索していた。「飛行機がマッハ2程度に達すると、空気は非常に高温になり、圧縮するのが極めて難しくなります」とボンド氏は言う。ロールス・ロイス社と英国政府は、簡単で経済的な解決策が存在するとは考えず、このプログラムへの資金提供を取り消した。

一方、NASA とロッキード マーティンは、部分的に再利用可能なスペース シャトルの安価な代替品として、完全に再利用可能な宇宙船ベンチャー スターの独自の計画を持っていました。ベンチャー スターのデモンストレーターである X-33 (1996 年にこの雑誌の表紙を飾った) は、ずんぐりとした三角形のロケットで、シャトルと同様に垂直に離陸し、地球に滑空して戻ってきます。シャトルを宇宙に打ち上げるために必要な使い捨てのロケットをなくすことで、理論上は打ち上げコストを 1 ポンドあたり 1 万ドルから 1,000 ドルに削減できます。しかし、2001 年までに、NASA は 10 億ドル以上をこのプロジェクトにつぎ込んだ後、度重なる技術的障害とコストの膨れ上がりを理由にプロジェクトを中止しました。 「ペイロードを軌道に乗せるには、他のより低コストの方法に注力した方が良いと感じたため、私たちは手を引いた」と、X-33に2年間取り組んだNASAの探査システム開発担当副次官、ダン・ダンバッチャー氏は語る。

シャトルが退役し、SpaceX などの企業が国際宇宙ステーション (ISS) への補給契約を結んだことで、NASA は人間や探査機を地球の軌道をはるかに超えて送り出す手段として、使い捨てのブースターに注力するようになった。NASA の深宇宙探査用の新しいプラットフォームであるスペース ローンチ システムは、これまでで最も強力なロケットとなる。NASA は宇宙探査に注力しており、そのためには大型ロケットが必要であることから、軌道に貨物を投入するためだけに独自のプラットフォームを構築する必要はなくなった。「純粋に技術的な観点から言えば、私たちはみな SSTO をぜひ実現したい」とダンバッハー氏は言う。「しかし、私たちは人間を宇宙のさらに遠くまで送り出すことに注力しており、それは費用のかかる提案です。」

使い捨てロケットは、低軌道を超えるミッションに適しています。単段式ロケットよりも多くの貨物と燃料を運ぶことができます。また、ロケットは信頼性も備えています。平均して、打ち上げ 20 回のうち 1 回しか失敗しません。これは、繰り返し使用しても摩耗や損傷が発生しないことが一因です。最後に、ロケットの技術の多くは 1960 年代から存在しているため、研究開発コストも少なくて済みます。

しかし、ISS への定期的なミッションや、軌道上に小型観測衛星を駐機させるには、費用対効果が重要な考慮事項となる。SpaceX の CEO であるイーロン マスク氏は、2011 年にナショナル プレス クラブで、民間の宇宙飛行は航空会社に近いモデルに従う必要があると聴衆に語った。「飛行機が再利用できなければ、飛行機に乗る人はほとんどいないでしょう」と同氏は述べた。SpaceX はロケットの段階を再利用可能にする計画だが、それにも欠点がある。ロケットの段階を回収することは可能だが、再突入後も正常に機能するように部品を設計するには、複雑さとコストが加わる。

4 時間以内に世界中のどこへでも飛行できます。
ヘンプセル氏は、スカイロンは年間100回の飛行が可能だと語る。もしこれが本当なら、初年度で研究開発と建設に費やした資金を回収でき、残るのは燃料、メンテナンス、諸経費だけだ。そしてボンドのエンジン技術は、打ち上げ機を最初から最後まで無傷に保つこと以外に、超音速飛行という別の利点も提供する。「これにより、航空機は4時間以内に世界中のどこにでも飛行できるようになる」とボンド氏は語る。

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空気が音速の 5 倍の速度でエンジンに衝突すると、華氏 2,000 度近くまで熱くなることがあります。その熱を、空気がターボ コンプレッサー、そして推力室に到達する前に瞬時に放出することが、リアクション エンジンのエンジニアにとって最も困難な技術的課題でした。ボンドの解決策は、紙のように薄い金属壁の一連のチューブに冷たい液体ヘリウムを流すことで機能する熱交換器です。焼けつくような熱い空気が交換器を通過すると、冷却されたチューブがエネルギーを吸収し、空気をほんの一瞬で華氏マイナス 238 度まで冷却します。ボンドによると、彼の交換器は約 400 メガワットの熱 (中規模の天然ガス プラントと同等) を処理できます。「発電所であれば、おそらく 200 トンの熱交換器になるでしょう」と彼は言います。「私たちが構築したものは約 1.4 トンです。」

ロケット科学者にとって、重量以上に重要なものはない。「軌道に乗せる 1 ポンドにつき、そこに到達するのに約 10 ポンドの燃料が必要です」と NASA のダンバッチャーは言う。「SSTO の課題は常に、機体をできるだけ軽くし、できるだけ多くの推力を生み出すことでした」。ボンドは、スカイロンは離陸時に約 358 トンの重量があり、それ自身と約 16.5 トンのペイロード (ほとんどの運用ロケットとほぼ同じ容量) を軌道に乗せるのに十分な水素燃料を搭載すると見積もっている。

このエンジンが飛行試験に合格した場合、リアクション エンジンズ社の計画の 1 つは、航空宇宙産業の潜在的パートナーにこの技術のライセンスを供与することです。ボンド氏は、この熱交換器の最近の成功が関心を呼ぶことを期待しています。30 年の研究を経て、この熱交換器は確かにボンド氏に刺激を与えました。「これは推進技術における根本的な進歩を表しています」と彼は言います。「これは私の人生で最も誇らしい瞬間です。」

この記事はもともと、Popular Science の 2013 年 9 月号に掲載されました。