スカイロン（宇宙船）

スカイロンは、 HOTOLとして知られる、構想された単段式軌道投入機（SSTO）宇宙飛行機のための以前の宇宙開発プログラムに起源を持つ。^{[ 7 ]} 1982年、複数の英国企業がHOTOLの開発に着手した当時、実用的な再利用可能な打ち上げシステムの開発と製造に対する国際的な関心は非常に高く、おそらくその中でも最も注目を集めたのはNASAが運用するスペースシャトルであった。ブリティッシュ・エアロスペースとロールス・ロイスとの共同開発により、有望な設計が生まれ、英国政府はその改良に200万ポンドを拠出した。英国人エンジニアのアラン・ボンドは、HOTOLの開発に携わったエンジニアの一人であった。^{[ 8 ]}しかし、1988年、英国政府はこのプログラムへのさらなる資金提供を撤回することを決定し、開発作業は中止された。航空宇宙誌フライト・インターナショナルは、HOTOLや他の競合する宇宙飛行機プログラムは「野心的すぎる」ものであり、そのような打ち上げシステムの開発には、以前想定されていたよりも多くの研究と遅い進捗が必要になると指摘した。^{[ 9 ]} 

HOTOLの計画中止という挫折の後、1989年にアラン・ボンドはジョン・スコット・スコットとリチャード・ヴァーヴィルと共に、民間資金を使って実現可能な宇宙飛行機と関連技術の開発を追求するため、リアクション・エンジンズ・リミテッドという会社を設立することを決めた^。[10] 1993年、^{リアクションは宇宙飛行機の提案を}公表し、アラン・ボンドが英国祭で見たスカイロン構造にちなんでスカイロンと名付けた。 ^{[ 11 ]}スカイロンはHOTOLの開発中に得られた教訓に基づいて白紙から再設計されたもので、この新しいコンセプトでは、大気圏内飛行中に外部の空気と水素を燃焼させることができるエンジンを使用するデュアルモード推進システムが再び採用された。スカイロンは初期段階で、同社によってESAの将来欧州宇宙輸送調査プログラム（FESTIP）イニシアチブに売り込まれ、また、機体の開発資金を調達するために政府または民間の投資も求められた。リアクション社は、スカイロン計画に参加することに関心のある企業による国際コンソーシアムを形成することを目的として、他の企業との連携も模索してきた。^{[ 12 ]}

スカイロンの設計は、以前の HOTOL プログラムと比較すると、いくつかの明確な違いがあります。^{[ 13 ]} HOTOL は軽量化のためにロケットそりから打ち上げられる予定でしたが、スカイロンは従来の格納式着陸装置を装備する予定です。SA​​BRE エンジンを使用した改良されたエンジン設計は、前身よりも高い性能を発揮すると期待されています。^{[ 13 ]} HOTOL の後部に搭載されたエンジンは、機体の飛行中の安定性が本質的に低いことを意味していました。この問題を解決するための初期の試みは、HOTOL のペイロードの可能性の多くを犠牲にすることになり、それがプロジェクト全体の失敗につながりました。この問題に対するスカイロンの解決策は、エンジンを翼の端に配置することでした。これにより、エンジンはより前方に配置され、機体の縦方向の重心に非常に近くなり、不安定性の問題が解決されました。^{[ 14 ]}

Reactionは最終的に営利企業として運営することを意図しており、開発完了後には、複数の国際的な顧客向けにSkylon機を製造し、顧客はReactionからのサポートを受けながら自社の機体を直接運用する予定です。^{[ 8 ]} Skylonは、1機あたり200回以上の飛行を達成することを目標に設計されています。^{[ 15 ]}同社によると、事業計画では1機あたり10億ドルで販売し、少なくとも30機のSkylonの市場があると予測しており、運用者が負担する1飛行あたりの経常費用はわずか1,000万ドルと予測されています。^{[ 8 ]} Reactionはエンジンのプレクーラーなどの一部の部品を直接製造する予定ですが、他の部品はパートナー企業によって設計されており、さまざまな航空宇宙企業のコンソーシアムがSkylonの全生産を担当する予定です。^{[ 16 ]}

スカイロンが運用開始されれば、衛星打ち上げコストが削減される可能性がある。リアクション社が英国議会に提出した証拠によると、打ち上げコストは約650ポンド/kgと予測されている。2011年時点では、従来の方法を用いた平均打ち上げコストは約15,000ポンド/kgと推定されていた。 ^{[ 17 ]}スカイロンは、その他の将来的な運用として、最大10トンのペイロードを国際宇宙ステーションに輸送できる。^{[ 8 ]}リアクション社はまた、スカイロンを宇宙ベースの太陽光発電衛星ネットワークの打ち上げプラットフォームとして使用することについても社内調査を完了している。これは、これまで打ち上げコストが高額であったため実現不可能であった。^{[ 15 ]}

2011年6月に発表されたリアクション社は、運用構成を実現するには最終的に120億ドルが必要になると推定しており、資金調達次第では2020年頃に実現すると推定していた。英国政府からスカイロン計画のための追加資金を得ることは、しばしば困難であった。^{[ 18 ]} 2000年、リアクション社は英国政府に資金提供を要請したが、最終的には失敗に終わった。政府によれば、リアクション社の提案には、投資に対する大きなリターンの可能性が含まれていたという。^{[ 19 ]}しかし、数人の政府関係者がスカイロン計画の支持者として現れ、公式の支援を提唱した。2009年に発表されたリアクション社の元英国科学技術革新大臣、ドレイソン卿は、リアクション社について次のように述べている。「これは、宇宙の未来に刺激的な結果をもたらす、世界をリードする技術を開発している英国企業の一例である。」^{[ 17 ]}

2009年2月、英国国立宇宙センター（後に英国宇宙庁となる）との一連の長時間の協議を経て、英国国立宇宙センター、ESA、およびリアクション社との間で、2011年までにスカイロン計画用の実証エンジンを製造する目的で100万ユーロ （128万ドル）を拠出する主要な資金提供契約が締結されたことが発表された。 ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}技術実証プログラムとして知られるこの取り組みは、約2.5年間続く予定で、その間、ESAから100万ユーロの追加資金が提供された。^{[ 23 ]} 2009年の契約により、リアクション社は、 EADS傘下のアストリウム、ブリストル大学、ドイツ航空宇宙センター（DLR）を含む複数の外部企業を、さらなる開発作業に参加させることができた。^{[ 20 ]}技術実証プログラムの実施の結果、Reaction は数ヶ月以内に技術成熟度レベル (TRL) 2/3 から 4/5 に移行することができました。^{[ 24 ]}   

2012年までに、英国宇宙庁によると、機体全体の開発と建造に必要な資金はまだ確保されておらず、そのため、その時点での研究開発作業は主にエンジンのみに集中しており、これはESAの100 万ユーロの助成金によって支えられていた。^{[ 25 ]} 2011年1月、リアクションはスカイロン計画のための追加資金を求める提案を英国政府に提出した。^{[ 17 ]} 2011年4月13日、リアクションはスカイロンの設計がいくつかの厳格な独立審査を通過したと発表した。2011年5月24日、ESAは提案に「障害や重要な項目」が存在しないことを確認し、設計が実現可能であると公に宣言した。^{[ 26 ] [ 27 ]} 2011年にスカイロンについて語った英国の大学・科学担当国務大臣デイビッド・ウィレッツは次のように述べた。

欧州宇宙機関は、英国からの拠出金により、スカイロンの概念実証作業に資金を提供しています。この作業は、プロジェクトを支える先進的な英国製エンジン技術の実現可能性を実証することに重点を置いています。初期作業は2011年半ばに完了し、試験が成功すれば、業界と協力して次のステップを検討します。^{[ 17 ]}

2013年6月、当時の財務大臣ジョージ・オズボーンは、英国政府がSABREエンジンのさらなる開発に6000万ポンドを拠出すると発表した。^{[ 28 ]}この助成金は、リアクション社が産業パートナーを持つことを条件としていた。最初の5000万ポンドの助成金は、2015年8月に欧州委員会によって承認された。^{[ 29 ]}

2015年10月、英国の防衛複合企業BAEシステムズはリアクション・エンジンズと契約を締結し、リアクションに2060万ポンドを投資して同社の株式資本の20％を取得するとともに、セイバーエンジンの開発を支援することになった。^{[ 30 ] [ 31 ]}

2016年7月、ESAにより1000万ポンドの2回目の助成金が承認された。^{[ 32 ]}

2017年9月、米国国防高等研究計画局（DARPA）が、リアクション・エンジンズ社に非公開の金額で契約を授与し、コロラド州にあるリアクション・エンジンズ社のプレクーラーHTXで高温気流試験を実施することが発表された。試験作業は2018年に開始される予定で、2019年3月にはプレクーラーの性能がマッハ5をシミュレートした条件下で検証された。^{[ 33 ] [ 34 ]}

2018年4月、リアクション・エンジンズは、ボーイングとロールス・ロイスがBAEシステムズに加わり、SABREエンジンの開発に投資すると発表した。ベイリー・ギフォード・アセット・マネジメントとウッドフォード・インベストメント・マネジメントからの出資を含め、総額3,750万ドルの新規資金が提供される予定である。^{[ 35 ]}

2000年、同社はブリストル大学と共同でプレクーラーの試験を完了した。^{[ 15 ]}

2007年から2009年にかけて、Reactionはブリストル大学およびAirborne Engineeringと共同でプロジェクトSTERN（静的試験膨張/偏向ロケットノズル）に取り組み、Reactionのエンジン点火システム、Reactionが設計した空気吸入式水素ロケットエンジンをテストし、Airborne Engineeringによる複数回の試験燃焼を通じてニール・テイラー博士の膨張偏向ノズル設計の流れの安定性と挙動を調査した。膨張偏向ノズルは、大気圏内飛行中に高度を上げる際に遭遇する周囲圧力の変化を補償することができ、それによってより大きな推力と効率を生み出すことができる。^{[ 36 ] [ 15 ]}

STERN の研究は、エンジンの排気流の安定性と発生した熱のエンジン壁への放散を調査するプロジェクト STRICT (Static Test Rocket Incorporating Cooled Thrust-chamber) で継続された。 ^{[ 15 ]} STRICT および STERN プロジェクトの両方によって得られた結果と設計は、その後 Reaction によって「大成功」であると宣言された。^{[ 37 ]}

エンジンのプレクーラーの静的試験は 2011 年 6 月に開始され、スカイロン開発プログラムのフェーズ 3 の開始となりました。^{[ 17 ] [ 38 ] [ 39 ]} 2012 年 4 月、リアクションはプレクーラー試験プログラムの最初のシリーズが成功裏に完了したと発表しました。^{[ 40 ]} 2012 年 7 月 10 日、リアクションは 3 つの試験シリーズのうち 2 番目の試験シリーズが成功裏に完了し、試験施設が-150 °C (-238 °F)の温度での試験を可能にするようにアップグレードされた後、最終シリーズの試験が翌月に開始されると発表しました。^{[ 41 ] [ 42 ]} ESA の推進部門は2012 年半ばにプレクーラー試験を監査し、結果が満足できるものであることを確認しました。 ^{[ 43 ] [ 44 ]}  

2011年、リアクションは、スカイロンの量産前試作機が2016年までに飛行可能であり、提案されたルートはフランス領ギアナのクールー近郊のギアナ宇宙センターとスウェーデン北部の北ヨーロッパ航空宇宙試験場間の準軌道飛行であると述べた。 ^{[ 45 ]}製造コンソーシアムの結成と同時期に、2011年から2013年の間に事前注文が見込まれていた。^{[ 17 ]} 2011年12月、アラン・ボンドは、スカイロンは以前想定されていた2020年ではなく、2021年から2022年までに運用開始されると述べた。^{[ 46 ]}

2012年11月、リアクション社は、空気吸入モードとロケットモードの両方での性能を実証するために、SABREエンジンの試験装置を開発および構築する3年半のプロジェクトを開始すると発表した。^{[ 43 ]リアクション社のプレクーラーは2022年[ 47 ]}と2024年にテストされた。 ^{[ 48 ]}同社が経営破綻した2024年後半に作業は中止された。^{[ 49 ]} 2025年7月、ESAはプレクーラーが、大気圏内でマッハ5での極超音速飛行を実証することを目的とした新しいINVICTUS研究プログラムで使用されると発表した。^{[ 50 ]}

スカイロンは、完全に再利用可能なSSTO機であり、段取りなしで軌道に到達でき、主に再利用可能な打ち上げシステムとして使用される予定でした。^{[ 51 ]} SSTO方式の支持者は、段取りには複雑さゆえに多くの固有の複雑さや問題が伴い、ほとんどの要素を回収して再利用することが困難または通常は不可能であるため、代わりにまったく新しい打ち上げ機を製造するために必然的に大きな費用がかかると主張してきました。したがって、彼らはSSTO設計が宇宙飛行の高コストを削減する可能性を秘めていると信じています。^{[ 51 ]}運用面では、無人機スカイロンは特別に強化された滑走路から離陸し、従来の飛行機と同様の方法で高度を上げ、音速の5倍以上（時速6,100 kmまたは時速3,800マイル）の非常に高速で上昇し、約28キロメートル（92,000フィート）の最高空気吸入高度に達することが想定されていた。その高度でエンジンは機内酸化剤を使用してロケットモードに切り替わり、軌道高度と速度まで上昇する。^{[ 52 ]}ペイロードは通常、機体が大気圏に再突入する前に展開され、その後、比較的緩やかな降下を行い、滑走路に従来どおり着陸する。^{[ 27 ] [ 1 ]}   

Skylon D1 の設計は、長さ13 m (42 ft 8 in)、直径4.8 m (15 ft 9 in)の大きな円筒形のペイロード ベイを特徴としています。 ^{[ 53 ]}これは、現在のペイロードの寸法に匹敵するように設計されており、Reaction Engines が将来的に製造することを想定しているペイロードのコンテナ化をサポートできます。赤道軌道では、Skylon は高度300 km (160 nmi)に15 t (33,000 lb)または高度600 km (320 nmi)に11 t (24,000 lb)を運ぶことができます。^{[ 54 ]}交換可能なペイロード コンテナを使用することで、Skylon は衛星や液体貨物を軌道に運ぶように、または特殊な居住モジュールに取り付けることができ、後者は 1 回の打ち上げで最大 30 人の宇宙飛行士を収容できます。^{[ 55 ] [ 56 ]}リアクションの技術ディレクターであるリチャード・ヴァーヴィルは、リアクションの市場について「我々は使い捨てロケット、つまり一度しか使用されない機械と競合している」と述べた。^{[ 27 ]}              

SABREエンジンは低高度で大気を反応質量として利用するため、高い比推力（ SABRE 4では約4,100～9,200秒（40,000～90,000 N - s/kg）^{[ 57 ]}、SABRE 3では3,600秒（35,000 N - s/kg）^{[ 58 ]}）を持ち、従来のロケットに必要な推進剤の約5分の1しか消費しない。^{[ 59 ]}そのため、スカイロンは従来のシステムよりもはるかに少ない総推進剤で離陸できる。^{[ 59 ]}必要な推進剤の量が少ないことで重量が軽減されるため、機体はそれほど大きな揚力や推力を必要としず、より小型のエンジンの使用が可能になり、従来の翼構成の使用も可能になる。^{[ 59 ]}大気圏内を飛行する際、重力抵抗に対抗するために翼を使用する方が、推進剤を噴射する（ロケットのように）よりも燃料効率が良く、必要な推進剤の総量を減らすことにもつながります。^{[ 59 ]}ペイロードの割合は通常のロケットよりも大幅に大きくなり、機体は完全に再利用可能で、200回以上の打ち上げが可能になるはずです。^{[ 60 ]}  

スカイロンの設計で最も重要な特徴の 1 つは、シナジェティック空気吸入ロケットエンジン(SABRE) として知られる動力装置です。^{[ 61 ]} SABRE エンジンの設計は、STRICT/STERN 実験エンジンに大きく依存しており、推進剤や試験済みの膨張偏向ノズルの採用など多くの特徴を共有し、液体空気サイクルエンジン(LACE) のより広い分野に基づいています。^{[ 15 ] [ 27 ] [ 13 ]}エンジンは、高度約マッハ5.5 (6,740 km/h 、4,190 mph) ^{[ 59 ]} 26 キロメートル (85,302フィート)までは従来のジェットエンジンとほぼ同じように動作するように設計されており、それを超えると空気吸入口が閉じ、エンジンは軌道速度まで非常に効率的なロケットとして動作します。^{[ 59 ]}提案されている SABRE エンジンはスクラムジェットではなく、予冷ジェットエンジン、ロケットエンジン、ラムジェットの複合サイクルで動作するジェットエンジンです。^{[ 4 ]}当初、この種の予冷ジェットエンジンのキー技術は存在していませんでした。なぜなら、最先端技術よりも 10 倍軽い熱交換器が必要だったからです。^{[ 37 ]}それ以降に行われた研究により、必要な性能が達成されました。^{[ 13 ] [ 62 ]}    

空気吸入式ジェットエンジンをマッハ 5.5 までの速度で運転すると、 数多くの技術的な問題が生じます。他の設計者によって提案されたいくつかの以前のエンジンは、ジェットエンジンとしてはうまく機能しましたが、ロケットとしては性能が劣っていました。^{[ 59 ]}このエンジン設計は、大気圏内では優れたジェットエンジンであると同時に、大気圏外では優れたロケットエンジンとなることを目指しています。しかし、マッハ 5.5 で運転すると、エンジンに流入する空気が圧縮される際に急速に加熱されるという従来の問題がありました。特定の熱力学的効果により、燃料を燃焼させて生成できる推力が大幅に低下します。^{[ 59 ] [ 27 ]}これらの問題を回避しようとする試みは、通常、エンジンがはるかに重くなる（スクラムジェット/ラムジェット）か、発生する推力が大幅に低下する（従来のターボジェット/ラムジェット）という結果になりました。どちらのシナリオでも、最終的には高速での推力重量比が低いエンジンとなり、その結果、軌道到達にはあまり役立たないほど重くなってしまうだろう。 ^{[ 59 ]}

SABREエンジンの設計は、液体水素燃料の一部を使用して閉サイクル予冷器内でヘリウムを冷却することで、従来の重量と性能の問題を回避することを目的としており、これにより吸気口の空気の温度が急速に低下します。^{[ 59 ]}その後、空気は従来のジェットエンジンと同様の方法で燃焼に使用されます。ヘリウムが予冷器を出ると、予燃焼器の生成物によってさらに加熱され、タービンと液体水素ポンプを駆動するのに十分なエネルギーが得られます。^{[ 59 ]}空気がすべての速度で冷却される結果、ジェットは軽量合金で製造でき、重量はほぼ半分になります。^{[ 59 ]}さらに、高速ではより多くの燃料を燃焼できます。マッハ5.5を超えると、冷却しても空気が熱くなりすぎるため、この速度に達すると吸気口が閉じられ、エンジンは従来のロケットと同様に、搭載された液体酸素と水素燃料のみによって供給されます。^{[ 59 ] [ 27 ]} 

現在提案されているスカイロン モデル D1 は、全長83.13 メートル (272フィート 9インチ)、直径6.30 メートル (20フィート 8インチ)の大型機です。^{[ 63 ]}スカイロンの胴体は、炭化ケイ素で強化されたチタン製スペース フレームになると予想されています。[64] これは、アルミニウム製燃料タンクの重量を支え、セラミック スキンが取り付けられる軽量で^{強靭な構造}です。[ 14 ]^{スキンとフレーム}の間には、複数のチタン箔断熱材が挟み込まれており^{[ 65 ] [ 27 ]}、スカイロン内部を極超音速飛行の熱や再突入時の激しい熱から保護します。    

液体水素という低密度の燃料を使用するため、軌道に到達するのに十分なエネルギーを蓄えるには大きな体積が必要となる。推進剤は応力を最小限に抑えるために低圧に保つように設計されている。大型で軽量な機体は、弾道係数が低いため、大気圏再突入時に他の機体よりも有利である。^{[ 66 ]}弾道係数が低いため、スカイロンは空気が薄い高高度で減速し、結果として機体の外皮は830 ℃（1,520 °F）にしか達しない。^{[ 67 ] [ 68 ]}対照的に、小型のスペースシャトルは前縁部が1,730 ℃（3,140 °F）まで加熱されたため、非常に耐熱性があるが壊れやすいシリカ製の熱保護システムを採用した。スカイロンの設計ではそのようなアプローチは必要なく、はるかに薄く耐久性のある強化セラミックの外皮を採用している。^{[ 4 ]}ただし、再突入時の翼周辺の乱流のため、機体の一部にはアクティブ冷却システムを設ける必要がある。 ^{[ 27 ] [ 65 ]}    

スカイロンは、高圧タイヤと水冷式ブレーキを備えた格納式着陸装置を備えています。離陸直前に何らかの問題が発生した場合、ブレーキをかけて機体を停止させ、水を沸騰させて熱を放散します。^{[ 69 ]}通常の着陸時には、空の機体ははるかに軽量であるため、水は必要ありません。^{[ 69 ]}そのため、離陸が成功すると、1,410キログラム（3,110ポンド）の水^{[ 70 ]}は投棄されます。この機能が設計のC1モデルに導入されたとき、ブレーキの重量は約3,000キログラムから415キログラム（6,600ポンドから915ポンド）に削減されました。^{[ 71 ]}  

打ち上げには特別な滑走路が必要となる。スカイロンの離陸重量325トンによって必要となる高い等価単輪荷重に耐えられるように強化する必要がある^{[ 72 ]} 。離陸滑走路の開始部分と回転ゾーンには耐熱セクションが必要であり^{[ 73 ]} 、スカイロンが毎秒155メートル（時速560km、300ノット）の回転速度まで加速できるように5.9キロメートル（3.7マイル）の長さが必要であり^{[ 73 ] 、必要に}応じて打ち上げを中止して停止するために1,500メートル（4,900^フィート）の余裕も残しておかなければならない。約20,000フィートとなるこの滑走路^は、世界最長の舗装滑走路となるだろう。^{[ 75 ]}スカイロンは、 3.2キロメートル（2.0マイル）のコードF民間滑走路に着陸できるだろう。^{[ 73 ]}   

地上では、約2日間のターンアラウンドタイムで検査と必要なメンテナンスが行われ、機体1機あたり少なくとも200回の軌道飛行を完了できる。^{[ 15 ] [ 76 ]}