再利用可能な打ち上げロケット

再使用型ロケットには、地上から宇宙空間へペイロードを運ぶ間に回収して再飛行できる部品があります。ロケット段は、再利用を目的とした最も一般的なロケット部品です。ロケットエンジンやブースターなどの小型部品も再利用できます。ただし、再使用型宇宙船は使い捨てロケットの上に載せて打ち上げられることもあります。再使用型ロケットは、打ち上げのたびにこれらの部品を作る必要がないため、打ち上げコストが大幅に削減されます。ただし、これらの利点は、回収と改修のコストによって減少します。

再利用可能なロケットには追加の航空電子機器や推進剤が含まれている場合があり、使い捨てのロケットよりも重くなります。再利用可能な部品は大気圏に突入して航行する必要がある場合があるため、多くの場合、熱シールド、グリッドフィン、その他の飛行制御面が装備されています。スペースプレーンは、形状を変更することで、滑走や揚力などの航空力学を利用して回復を支援できます。大気圏では、さらに減速するためにパラシュートや逆噴射ロケットが必要になる場合もあります。再利用可能な部品には、滑走路や自律型宇宙港ドローン船などの特殊な回復施設が必要になる場合もあります。一部のコンセプトでは、マスドライバーなどの地上インフラストラクチャを使用して事前にロケットを加速します。

少なくとも20世紀初頭から、単段式再使用型ロケットはSFの世界には存在していた。1970年代には、最初の再使用型ロケットであるスペースシャトルが開発された。しかし、1990年代には、計画が期待に応えられなかったため、再使用型ロケットのコンセプトはプロトタイプのテストにまで縮小された。2000年代と2010年代に民間宇宙飛行会社が台頭したことで、スペースシップワン、ニューシェパード、エレクトロン、ファルコン9、ファルコンヘビーなどの開発が復活した。現在では、スターシップ、ニューグレン、ニュートロン、ソユーズ7、アリアンネクスト、ロングマーチ、テランR、ドーンMk-IIオーロラなど、多くのロケットが2020年代に再利用可能でデビューすると予想されている。 ^[1]

打ち上げロケットの再利用性は、宇宙飛行産業において基礎的な影響を及ぼしてきました。そのため、2024年にケープカナベラル宇宙軍基地は、新世代のロケットのより高い打ち上げ頻度と着陸地点をサポートするために、主要なインフラのアップグレード（ポートカナベラルを含む）を含むケープの50年先を見据えた計画を開始しました。^[2]

再利用可能な打ち上げシステムは、完全にまたは部分的に再利用できます。

2024年3月現在、いくつかの企業が完全に再利用可能な打ち上げロケットを開発している。各社とも2段軌道投入システムに取り組んでいる。SpaceXは2016年から開発が進められているStarshipをテストしており、 2023年4月に最初のテスト飛行を行い^[3]、2024年11月までにさらに5回の飛行を行っている。Blue OriginはProject Jarvisで2021年初頭までに開発作業を開始したが、テストの日程を発表しておらず、プロジェクトについて公に議論していない。^[4] Stoke Spaceも再利用可能なロケットを開発している。^{[5] [6]}

2024年10月現在、スターシップは完全に再利用可能となることを意図した^{[アップデート]}唯一の打ち上げロケットであり、完全に製造されテストされている。最新のテスト飛行は2024年10月13日に行われ、このロケットは弾道発射を完了し、2度目の両ステージ着陸を行った。スーパーヘビーブースターは、初めて「チョップスティックシステム」によって軌道Aパッドでキャッチされた。スターシップは2度目の再突入に成功し、インド洋に制御された着水のために戻った。このテストは、完全に再利用可能であるためのすべての要件を満たしていると考えられる2番目の例となった。^{[7] [検証失敗–議論を参照]}

これまで使用されている再利用可能な構成は、多段式軌道投入システムの形態をとる部分再利用可能な打ち上げシステムのみでした。

歴史的なスペースシャトルは、固体ロケットブースター、RS-25エンジン、軌道投入段として機能したスペースシャトルオービタを再利用しましたが、RS-25エンジンに燃料を供給する外部燃料タンクは再利用しませんでした。これは、ロケットの特定のコンポーネントを再利用する再使用型打ち上げシステムの一例です。ULAの バルカンケンタウルスは、タンクが消耗している間に第1段エンジンを再利用する設計でした。エンジンは膨張式エアロシェルに着水し、その後回収されます。2024年2月23日、ファルコン9に動力を与える9基のマーリンエンジンのうちの1基が22回目の打ち上げを行い、運用上最も再利用された液体燃料エンジンとなり、スペースシャトルのメインエンジン2019の記録である19回の飛行を既に上回りました。

2024 年現在、ファルコン 9とファルコン ヘビーはブースターを再利用する唯一の軌道ロケットですが、他の複数のシステムも開発中です。航空機で打ち上げられるロケットはすべて航空機を再利用します。

それ以外にも、気球^{[8] [関連性あり? ]から}宇宙エレベーターまで、ロケット以外のさまざまな離陸システムが再利用可能な離陸システムとして提案され、研究されてきました。既存の例としては、有翼の水平ジェットエンジン駆動離陸システムがあります。このような航空機は使い捨てロケットを空中発射できるため、航空機を打ち上げ機の第 1 段と見なすと、部分的に再利用可能なシステムと見なすことができます。この構成の例としては、オービタル サイエンシズのペガサスがあります。弾道飛行の場合、スペースシップツーは離陸にキャリア プレーンを使用し、その母船はスケールド コンポジッツのホワイト ナイト ツーです。ロケット ラボはニュートロンに取り組んでおり、欧州宇宙機関はテミスに取り組んでいます。どちらの車両も第 1 段を回収する予定です。^{[9] [10]}

これまでのところ、ほとんどの打ち上げシステムは、特に第2段と第3段で、少なくとも部分的に使用済みの多段式ロケットで軌道投入を達成しています。スペースシャトルだけが、オービタのエンジンと燃料タンクを使用することで、軌道投入段の再利用を実現しました。ブラン宇宙機とスターシップ宇宙船は、軌道投入段として機能できるように設計され、製造された他の2つの再利用可能な宇宙船ですが、前者はプロジェクトがキャンセルされる前に無人テスト飛行を1回行ったのみであり、後者はまだ運用されておらず、 2024年6月の時点で4回の軌道テスト飛行を完了しており、4回目の飛行ですべてのミッション目標を達成しました。

打ち上げシステムは、再利用可能なスペースプレーンまたはカプセルと組み合わせることができます。スペースシャトルオービター、スペースシップツー、ドーンMk-IIオーロラ、および開発中のインドのRLV-TDは、再利用可能な宇宙船（スペースプレーン）とその打ち上げシステムの一部の例です。

より最近では、ファルコン 9打ち上げシステムは、ドラゴン 2やX-37などの再使用可能な宇宙船を運びました。

現代の再利用可能な軌道車両には、X-37、ドリームチェイサー、ドラゴン2、インドのRLV-TD、そして近々登場する欧州のスペースライダー（IXVの後継機）などがあります。

打ち上げロケットと同様に、人類が宇宙飛行を達成した初期の数十年間、すべての純粋な宇宙船は使い捨てのものとして設計されていました。これは、長期間宇宙に放置されることを意図した衛星や宇宙探査機、また、有人 宇宙カプセルや、スターダスト（1999–2006）^[11]やはやぶさ（2005–2010）などの宇宙物質収集ミッションのサンプルリターン容器など、地球に帰還するように設計された物体にも当てはまりました。^{[12] [13]} 宇宙船に関する一般的なルールの例外としては、米国のジェミニSC-2、ソ連の宇宙船ヴォズブラシャエミイ・アパラート（VA）、米国のスペースシャトル・オービター（1970年代半ば-2011年、1981年から2011年の間に135回の飛行）、ソ連のブラン（1980年-1988年、1988年に無人試験飛行を1回のみ実施）が挙げられる。これらの宇宙船は両方とも、打ち上げシステムの不可欠な部分（打ち上げ加速を提供）であり、宇宙で中期滞在宇宙船として運用されていた。これは2010年代半ばに変わり始めた。

2010年代には、国際宇宙ステーションへの補給を行っているサプライヤーの1社から提供された宇宙輸送貨物カプセルが再利用を前提に設計され、2017年以降、^[14] NASAはこれらのNASA契約輸送ルートでSpaceX Dragon貨物宇宙船の再利用を許可し始めました。これが再利用可能な宇宙船の設計と運用の始まりでした。

ボーイング・スターライナーのカプセルもパラシュートで落下速度を下げ、地上に着陸する直前にエアバッグを展開し、機体を回収して再利用します。

2021年現在^{[アップデート]}、SpaceXは、複数回の極超音速大気圏再突入に耐え、真に再利用可能な長期宇宙船となることを目指して、 Starship宇宙船の建造とテストを行っています。Starshipの運用飛行はまだ行われていません。

米国（低軌道飛行試験用膨張式減速装置 - LOFTID）^[15]や中国^{[16]が開発した膨張式}熱シールドの可能性により、スペース・ローンチ・システムのような使い捨てロケットにそのような熱シールドを後付けして高価なエンジンを再利用することが検討されており、打ち上げコストを大幅に削減できる可能性がある。^{[17]熱シールドにより、軌道上の宇宙船は燃料をあまり消費せずに安全に着陸できる。膨張式熱シールドの形をとる必要はなく、単に}熱伝導を防ぐ耐熱タイルの形をとることもできる。また、スターシップに見られるように、熱シールドを逆行推力と組み合わせて使用​​し、完全な再利用を可能にすることも提案されている。

ファルコン 9やニューシェパードなどの再使用型打ち上げシステムの段階では、再突入と着陸に逆行燃焼を採用しています。^{[引用が必要]}

再利用可能なシステムは、単一または複数（2または3）のステージで軌道構成が可能です。一部またはすべてのステージで、次の着陸システム タイプを使用できます。

これらは、海上での着水や地上での着陸のような、パラシュートと強化されたハードランディングを採用した着陸システムです。後者の場合、パラシュートだけでは宇宙飛行士の負傷を防ぐのに十分なほど機体を減速できないため、着陸直前にエンジンを点火する必要がある場合があります。これはソユーズ宇宙船で確認できます。

このようなシステムは宇宙飛行の始まり以来、宇宙船を回収するために使用されてきたが、宇宙船が再利用されるようになったのは後になってからのことである。

例えば：

• スペースシャトル固体ロケットブースター
• スペースXドラゴンカプセル

シングルステージまたはメインステージ、およびフライバックブースターは、水平着陸システムを採用できます。これらの乗り物は飛行機とほぼ同じように地球に着陸しますが、通常、着陸時に推進剤は使用しません。

例:

• スペースシャトルオービター- メインステージの一部として
• Buran スペースプレーン- 軌道投入段階として機能しましたが、Polyus はEnergia打ち上げロケットの第 2 段階としても使用できます。
• ベンチャースター- NASAのプロジェクト
• スペースシャトルのフライバックブースターの研究
• Energia II (「ウラガン」) - 代替ブラン発射システムのコンセプト
• OK-GLI -ブラン宇宙船の別のバージョン
• 液体フライバックブースター- ドイツのコンセプト
• バイカル湖- かつてのロシアのプロジェクト
• 再利用可能ブースターシステム- 米国の研究プロジェクト
• SpaceShipTwo -ヴァージン・ギャラクティック社が製造した宇宙旅行用の宇宙飛行機
• SpaceShipThree -ヴァージン・ギャラクティック社が宇宙旅行用に開発中の宇宙飛行機
• ドーン Mk-II オーロラ -ドーン エアロスペースが開発中の宇宙飛行機
• XS-1 - もう一つの米国の研究プロジェクト
• RLV-TD - 進行中のインドのプロジェクト
• 反応エンジン スカイロン SSTO

その変種として、空中捕獲牽引システムがあり、EMBENTIONという会社がFALConプロジェクトで提唱している。^[18]

滑走路に水平に着陸する乗り物には、翼と着陸装置が必要です。これらは通常、着陸機の質量の約 9 ～ 12% を占め、^{[引用が必要]ため、積載量が減るか、乗り物のサイズが大きくなります。}揚力体などのコンセプトは、翼の質量をいくらか軽減します^{[引用が必要] 。}スペース シャトルのデルタ翼の形状も同様です。

マクドネル・ダグラス DC-X (デルタ・クリッパー)やスペースXなどのシステムは、逆行システムの例です。ファルコン 9とファルコン・ヘビーのブースターは、9 つ​​のエンジンのうちの 1 つを使用して着陸します。ファルコン 9ロケットは、第 1 段を垂直に地上に着陸させた最初の軌道ロケットです。スターシップの第 1 段は垂直に着陸するように計画されていますが、第 2 段は、逆行着陸の一般的な手順のほとんどを実行した後、アームでキャッチされる予定です。ブルーオリジンのニューシェパード弾道ロケットも、発射地点に垂直に着陸します。

逆行着陸には通常、第1段推進剤の総量の約10％が必要となり、ロケット方程式により運搬可能なペイロードが減少します。^[19]

膨張式で再利用可能な第 1 段ロケットのコンセプトもあります。この構造の形状は、過剰な内部圧力 (軽いガスを使用) によって支えられます。第 1 段 (推進剤なし) の嵩密度は、空気の嵩密度よりも小さいと想定されています。飛行から戻った後、このような第 1 段は空中に浮いたままになります (地球の表面に触れずに)。これにより、第 1 段が再利用のために保持されます。第 1 段のサイズを大きくすると、空力損失が増加します。その結果、ペイロードがわずかに減少します。このペイロードの減少は、第 1 段の再利用によって補われます。^[20]

再使用段は同等の使い捨て段よりも重量が重い。これは補助システム、着陸装置、および/または着陸に必要な余剰推進剤のために避けられない。実際の質量のペナルティは、機体と選択された帰還モードに依存する。^[21]

ロケットが着陸した後、次の飛行に備えてロケットを改修する必要がある場合があります。このプロセスは長く、費用がかかる可能性があります。SpaceX は有人ミッションのために再利用された Falcon 9 ブースターを飛行させましたが、ロケットは改修後に有人対応として再認定されない可能性があります。ロケットは最終的に、廃棄されるまでに改修できる回数に制限がありますが、ロケットを再利用できる頻度は、さまざまな打ち上げシステムの設計によって大きく異なります。

20 世紀前半のロケット推進の発達により、宇宙旅行が技術的に可能になりました。

単段式の再利用可能なスペースプレーンの初期のアイデアは非現実的であることが判明し、最初の実用的なロケット車両 ( V-2 ) でさえ宇宙の端に到達できたものの、再利用可能な技術は重すぎた。さらに、初期のロケットの多くは兵器を運ぶために開発されたため、設計上、再利用可能ではなかった。質量効率の問題は、垂直発射多段式ロケットで複数の使い捨て段を使用することで克服された。USAFとNACAは1958年以来、ダイナソアなどの軌道上再利用可能なスペースプレーンを研究してきたが、最初の再利用可能な段は1981年に 米国のスペースシャトルが登場するまで飛行しなかった。

おそらく最初の再利用可能な打ち上げロケットは、1948年から1956年にかけてヴェルナー・フォン・ブラウンによって構想され研究されたものである。フォン・ブラウン・フェリーロケットは2回の改訂を経て、1952年と1956年に再び改訂された。このロケットはパラシュートを使って着陸する予定だった。^{[22] [23]}

ジェネラル・ダイナミクス・ネクサスは、1960年代にサターンVロケットの完全再利用可能な後継機として提案され、最大450～910トン（99万～200万ポンド）を軌道に輸送する能力を持っていました。^{[24] [25]}また、シードラゴンとダグラスSASSTOも参照してください。

BACマスタードは1964年に研究が始まった。これは3機の同じ宇宙飛行機を束ねて2段に並べたもので、上昇中に第1段を構成する2機の外側の宇宙飛行機が分離し、個別に地球に滑空する。1967年に最後の設計研究が行われた後、開発資金不足のため中止された。^[26]

NASAは1968年にスペースシャトルの設計プロセスを開始し、有人フライバックブースターを使用して完全に再利用可能なスペースプレーンを作成するというビジョンを掲げました。このコンセプトは高価で複雑であることが判明したため、設計は再利用可能な固体ロケットブースターと使い捨ての外部タンクに縮小されました。^{[27] [28]}スペースシャトルコロンビアは27回の打ち上げと着陸を行い、28回目の着陸の試みですべての乗組員とともに失われました。チャレンジャーは9回の打ち上げと着陸を行い、10回目の打ち上げの試みですべての乗組員とともに失われました。ディスカバリーは39回の打ち上げと着陸を行い、アトランティスは33回の打ち上げと着陸を行い、エンデバーは25回の打ち上げと着陸を行いました。

1986年、ロナルド・レーガン大統領は空気吸入式スクラムジェット 機NASP/ X-30の開発を要請した。このプロジェクトは技術的な問題で失敗し、1993年に中止された。^[29]

1980年代後半には、エネルギアロケットの完全再利用可能版であるエネルギアIIが提案された。そのブースターとコアは、滑走路に別々に着陸する能力を持っていた。^[30]

1990 年代には、マクドネル ダグラス デルタ クリッパーVTOL SSTO 提案がテスト段階に進みました。DC -Xプロトタイプは、迅速なターンアラウンド タイムと自動コンピュータ制御を実証しました。

1990年代半ば、英国の研究者は、以前のHOTOL設計をはるかに有望なSkylon設計に進化させ、Skylonを開発していた会社が倒産した2024年まで開発が続けられました。

1990年代後半から2000年代にかけて、欧州宇宙機関はアリアン5 固体ロケットブースターの回収を研究した。^[31]最後の回収の試みは2009年に行われた。^[32]

商業ベンチャーであるロケットプレーン・キスラー社とロータリー・ロケット社は、破産する前に再利用可能な民間開発ロケットの製造を試みた。^[要出典]

NASAはシャトル技術に代わる再利用可能なコンセプトを提案し、X-33およびX-34プログラムで実証する予定だったが、コストの上昇と技術的問題により、両プログラムとも2000年代初頭に中止された。

アンサリXプライズコンテストは、民間の再利用可能な弾道宇宙船の開発を目的としていた。多くの民間企業が競い合い、優勝したスケールド・コンポジッツ社は、再利用可能なスペースシップワンで2週間の間に2度カーマンラインに到達した。

2012年、スペースXは実験機による飛行試験プログラムを開始した。これはその後、ファルコン9再利用可能ロケットランチャーの開発につながった。^[33]

2015年11月23日、ニューシェパードロケットは、垂直離陸・垂直着陸（VTVL）の準軌道ロケットとして初めて、カーマンライン（100kmまたは62マイル）を通過して宇宙に到達し、高度329,839フィート（100,535メートル）に到達してから推進着陸を行った。^{[34] [35]}

スペースXは、2015年12月21日にオーブコムOG-2商用衛星11機を低軌道に打ち上げ、再利用可能な軌道ロケットの初段の垂直軟着陸を達成した。^[36]

ファルコン9の第一段の最初の再利用は2017年3月30日に行われました。 ^[37] SpaceXは現在、第一段の回収と再利用、およびフェアリングの再利用を定期的に行っています。^[38]

2019年にロケットラボは、パラシュートと空中回収を使用して、エレクトロンロケットの第1段を回収して再利用する計画を発表しました。^[39] 2020年11月20日、ロケットラボはエレクトロンの第1段を軌道打ち上げから無事に帰還させ、太平洋に静かに着水しました。^[40]

中国は長征8号システムの再利用可能性を研究している。^[41]

2020年5月現在^{[アップデート]}、運用可能な再利用可能な軌道クラスの打ち上げシステムはファルコン9とファルコンヘビーのみであり、後者はファルコン9をベースにしている。スペースXは完全に再利用可能なスターシップ打ち上げシステムも開発している。^[42] ブルーオリジンは、第1段のみを回収して再利用することを意図しているため、独自のニューグレン部分的に再利用可能な軌道ロケットを開発している。

2020年10月5日、ロスコスモスは再利用可能な第一段を備えた新型ロケット「アムール」の開発契約を締結した。 ^[43]

2020年12月、ESAは再利用可能な第一段ロケットのプロトタイプであるTHEMISの開発を開始するための契約を締結しました。 ^[44]

1980年以降、2010年代までに、2つの軌道打ち上げロケットが発射場への帰還能力（RTLS）を開発した。米国のスペースシャトル（その中止モードの1つ^{[45] [46]）}とソ連のブラン^{[47]はどちらも、打ち上げロケットの}スペースプレーン部分の水平着陸 のメカニズムを介して、打ち上げロケットの一部を発射場に帰還させる機能が設計に組み込まれていた。どちらの場合も、主なロケットの推力構造と大きな燃料タンクは使い捨てであり、これはその時期以前に飛行したすべての軌道打ち上げロケットの標準的な手順であった。どちらもその後、実際の軌道上の公称飛行で実証されたが、どちらも打ち上げ中に中止モードを備えており、公称外の打ち上げ後に乗組員がスペースプレーンを着陸させることも考えられた。

2000年代には、SpaceXとBlue Originの両社が、ロケットのブースター段の垂直着陸をサポートする一連の技術を独自に開発しました。 2010年以降、SpaceXは、ファルコン9軌道ロケットの一部である第1段を持ち帰って垂直に着陸させる能力を獲得するための開発プログラムに着手しました。最初の着陸に成功したのは2015年12月で、^[48]それ以来、いくつかの追加のロケット段が、発射場に隣接する着陸パッド、または発射場から少し離れた海上の着陸プラットフォームに着陸しました。 ^[49]ファルコンヘビーも同様に、第1段を構成する3つのコアを再利用できるように設計されています。 2018年2月の初飛行では、2つの外側のコアが発射場の着陸パッドに正常に戻り、中央のコアは海上の着陸プラットフォームを目指しましたが、着陸には成功しませんでした。^[50]

ブルーオリジンは、弾道飛行用の ニューシェパードロケットの帰還と着陸に同様の技術を開発し、2015年に帰還を成功させ、2016年1月には同じブースターを2回目の弾道飛行で再利用することに成功した。 ^[51] 2016年10月までに、ブルーオリジンは同じロケットを合計5回再飛行させ、着陸に成功した。^[52]ただし、両方のロケットの打ち上げ軌道は非常に異なり、ニューシェパードは軌道飛行を達成せずにまっすぐ上下するのに対し、ファルコン9は、第2段でペイロードを軌道に乗せながら、かなりの水平速度をキャンセルしてかなりの距離から帰還する必要があることに注意する必要がある。

ブルーオリジンとスペースXは、さらに再利用可能な打ち上げロケットを開発中である。ブルーオリジンは、軌道上のニューグレンLVの第1段を再利用可能なものとして開発しており、初飛行は2024年より早く計画されている。スペースXは、惑星間宇宙へのミッション用に新しい超重量級打ち上げロケットを開発中である。スペースXスターシップは、RTLS、垂直着陸、およびスターシップで使用するために設計されたブースターステージと統合された第2段/大型宇宙船の両方の完全再利用をサポートするように設計されている。 ^[53]最初の打ち上げ試行は2023年4月に行われたが、両方のステージが上昇中に失われた。しかし、4回目の打ち上げ試行では、ブースターと宇宙船の両方がそれぞれメキシコ湾とインド洋に軟着陸を達成した。

リストは2024年12月1日に更新されました。

• Heribert Kuczera 他:再利用可能な宇宙輸送システム。 Springer、ベルリン、2011 年、ISBN 978-3-540-89180-2。 

ウィキメディア・コモンズには、再使用可能発射システムに関連するメディアがあります。

• 離陸時のスペースシャトルとオービターのイラスト (ビジュアル辞書 - QAInternational)
• 月着陸船