１．はじめに

　最近、宙の会の書籍配本でH-IIロケットのシステム設計初期の頃の資料が紹介されました。30年程も昔の昭和58年（1983年）頃の作業内容ですが、当時の五代室長の下でこの作業に関わった者の一人として、その後の宇宙輸送の進展について私見を述べてみたいと思います。

当時は米国ではスペースシャトルが登場して、H-IIのような使い切り型打上機（ELV）から、繰り返し使用型打上機（RLV 宇宙往還機）への転換の時代の予感がしていたものですが、そのスペースシャトルは就航（1981年4月）から30年を経て今年7月で135回の飛行を重ねた後、退役を迎えることになっています。宇宙往還機の後継機の見通しもないままに、宇宙輸送は依然として原初の使い切り型多段式打上げ機の時代が続くことになっています。
スペースシャトルが実証してみせたRLVの実際は何だったのか、なぜ30年前の宇宙往還機時代への転換の機運が潰えたのか、宇宙実用化の鍵となるRLVの復興への教訓として何を考えていけばよいのか私見を述べてみたいと思います。

２．達成ミッション

スペースシャトルは30年間の運用を通して、飛行機のように手軽にいつでも宇宙に行けるという当初の期待に応えることは出来ませんでしたが、それまでの使い切り型では対応が難しかった宇宙活動の拡大を実現しました。

(1) 宇宙からの人工衛星の回収
　例えば、H-IIで軌道に打ち上げられた日本の衛星（SFU）を10か月後に地上に回収しました。無数の宇宙ゴミの衝突の傷跡が生々しく刻まれた衛星の姿に、宇宙環境の凄まじさを実感することが出来ました。他にも、大きな貨物室とロボットアームを利用していくつかの衛星の回収を実施しています。

(2) 宇宙での衛星の修理・改善
　ハッブル宇宙望遠鏡はシャトルで打上げ、その後5回にわたって軌道上での部品交換・補給が実施され、機能を維持・向上させて20年後の今も正常に機能しています。

特に5回目の修理のための飛行は、シャトルの2回目の飛行全損事故を受けてNASAが帰還飛行の安全を確実にすることが難しいとして、ミッション実施に難色を示していたのを、科学界や議会の熱烈な要請を受けて、非常時救助のための待機シャトルまで準備して遂行したほどに、社会からの需要の高いミッションでした。ハッブル宇宙望遠鏡は人類の宇宙観に大きなインパクトを与える偉大な観測成果を挙げていますが、シャトルによる宇宙修理の最大の功績です。

(3) 2週間程度の宇宙滞在による有人宇宙実験室の繰り返し飛行
10数回のシャトル飛行で使われた有人スペースラボでは、日本の宇宙飛行士2人のそれぞれ２回の飛行をはじめ、多くの宇宙実験やライブ映像による宇宙と地上とのコミュニケーションが何度も行われ、人の宇宙飛行が日常生活の中で実感できるようになりました。

(4) 非職業飛行士の宇宙飛行（科学者、政治家、高齢者など多数）

(5) 軌道上の大型構造物の建造・運用
　30数回の飛行により、国際宇宙ステーションの組み立て・補給を実施して完成させました。
サッカー競技場ほどの広さの大きな人工の宇宙拠点が、SFの世界から現実のものになりました。

この他にRLVは地上や宇宙に投棄する人工物体も少ないので環境保全に有利なこと、また技術的には飛行後のロケット機器が戻ってくるので飛行耐用特性が飛行後に確認出来ること、の利点が挙げられます。ELVでは一度飛行すると機器は戻ってこないので、実飛行環境での設計余裕（バラつきの許容範囲）がつかめず、何度かの飛行成功を重ねた後に、製造や運用環境のバラつきによって致命的な故障につながる場合があるのです。

もっともシャトルでは、飛行後の点検で不具合のある機器が多数見つかるのが常で、再使用に向けた整備に想定外の膨大な手間と費用がかかったようです。

３．性能目標と実際

　この様にスペースシャトルの飛行はすばらしい成果をもたらした一方で、開発や運用の実際は目標とはかけはなれた経緯をたどり、技術的にもマネジメント面からも大きな課題を残して退役することになりました1)。

　開発開始時（1971年）の１飛行あたりの予測コストは18.2百万ドル、年間50飛行（週１回平均）で当時運用されていた有人月探査用サターン５型ロケット（ELV）の３回分の飛行費用より安いとの予測でした。

ところが初飛行後10年を経た1991年時点での飛行実績は、年平均4回（1986年のチャレンジャー事故による2年8月の飛行中断を含む）、１飛行コストは4.9億ドル、開発運用費の累積額は500億ドルを超え、1973年当時のサターン5型ロケットの150回の飛行運用費に相当すると言われています 4）。

運用コストの高騰に加えて、打上げの頻度の低さ、不確実さによって打上げマニフェストは溜まる一方で、米国の宇宙開発に大きな不透明感と停滞をもたらしました。効率の良いシャトル代替機を求める機運が切迫し、次々と後継機の提案がなされ数十億ドル規模の研究費が投入されましたが、技術的な実現性が見極められず全滅（後述）。

そして今年、135回目の飛行を終えてシャトルは退役することになっていますが、30年間で年平均飛行頻度は4.5回、2回の飛行事故による飛行中断期間（約5年）を除いても5.3回／年でした。事故対策後の2007年時点での1飛行コストは約10億ドルとも言われています　5）。

４．課題

　スペースシャトルは従来のELVの機能に加えて、宇宙からの帰還のための新規装備と軽量化、高性能化、それに再使用化が必須技術でした。そのため再使用型熱防護材や高性能エンジンを始めとして、未踏の技術が多く組み込まれました。

（巨大なシステム設計要求）
　更にシステム要求として、大型バスほどの大きさ（長さ18.3m 直径 4.6m）で最大重量約30t（東向け低軌道打上時）までの人工衛星の打ち上げ能力、さらに極軌道打上後1周回で打上場に帰還可能なこと（これは低軌道にある大型の偵察衛星を迅速に回収する空軍のミッションを想定したもの）という、初めてのRLV開発に対して巨大な能力が要求されました。

打上後1周回で元の打上場に帰還するということは約2,000kmのクロスレンジ能力（軌道を逸れて横方向への航続距離）を必要とし、大きな翼を必要とする設計要求に他なりません。しかしシャトルの開発が終わり東海岸の打上場（KSC）からの打上運用段階に入ってから、偵察衛星（極軌道）の打上・回収に必要な米国西海岸からのシャトル打上げ場は建設途上で、経費がかかりすぎるとの理由で設置が放棄されました。

初めての宇宙往還機に対する設計要求があまりにも非現実的であり、その性能追求に多大の時間と経費がかかり設計段階で運用要求が不明確であったとされています 3）。

飛行環境や性能のバラつきを基に設計パラメータを決めなければならず、初めてのRLVの設計で、バラつきに関する統計データが限られる中で、性能に余裕を持たせることと重量増加を抑えることのディレンマに、設計技術者の苦労は並大抵ではなかったことが察せられます。

（未踏の新規技術）

機体表面を覆う熱防護システム（TPS）

　数種類のセラミックタイルを約24,000枚、毛布状の可撓断熱材を約3,300枚、カーボン繊維補強カーボン（RCC）数十枚、併せて約3万枚近くの熱防護材がアルミ合金製の機体主構造表面に取り付けられ、それらは全て特有の厚さと形状をもち互換性はないものに設計されました。全ての熱防護材は飛行毎に表面の損傷がないか点検され、有害な損傷が毎回相当数に上り、多くの人手と時間をかけて交換されました。

3基の主エンジン（SSME）
　極低温推進剤（液体水素／液体酸素）による2段燃焼サイクルエンジンで非常に高性能なものでしたが、配管のまわりの空気を直ぐに液化してしまうほどの極低温の液体水素を高圧、高温で燃焼させ、また密度が小さいので漏れやすく空気中の酸素との一定の混合で容易に爆発に至るなどの取り扱い難度から、再使用のための手間が膨大で、最も運用コストのかかった機器であったようです。

推進剤タンクとの結合も含めて整備を済ませて射点に据え付けた後、漏れが発見され組立棟にもどして修理点検、再度射点に移動して後、漏れ検出で組立棟への引き返し、を繰り返し半年間にわたって打上延期を繰り返した事態もありました（1990年）。高圧の2段燃焼サイクルエンジンはロシアのロケット（ただしケロシン系燃料が主体）やH-IIロケット（液水燃料）のLE-7エンジンでも採用されて普通に運用されていますが、繰り返し使用には特別の難しさがあるようです。

（多岐の機能と複雑なシステム）

(1) 多岐の機能の相乗り
　スペースシャトルは初めてのRLVの開発にも拘わらず、汎用の国家宇宙輸送機（NSTS）としてそれまでのELVに代わる位置づけが与えられ、人工衛星の打上、回収に加えて有人輸送、軌道上組立（ロボットアーム操作を含む）、宇宙実験室など多岐にわたる機能を搭載し、世界一複雑な機械と言われました。

これらの全ての機能が必要というわけでもない飛行ミッション時も、それらの機能が正常に作動し、あるいは休止されていることを確認することが必要で、また人工衛星の打上が主ミッションであっても有人飛行に対する安全性の確保が積荷（人工衛星）にも課せられ運用の煩雑さの要因になりました。
更に巨大なSRBのモータケースを一本あたり長さ方向に4分割（4セグメント）して製造し、推進剤を充填して射場に輸送し、1セグメント100トンを超える重量物を発射台上で2本のSRBに組み上げる、という工程がかなりの時間と手間を要しています。

(2) 機体配置の問題 --- 外部タンクとオービタの並行配置
　従来の軸対称に近い形状のELVと違って、スペースシャトルは推進剤タンク（ET）にオービタ（OV）が並行に配置されており、著しい非対称型で特異な問題があり、設計・開発の段階で様々な対策がなされてきました。運用段階では対策は完全な成果を挙げたかに推移してきましたが、113回目の飛行において致命的な欠陥を露呈しました（コロンビア事故）。

推進剤（液水）タンクの外部断熱材（発泡材）の一部が上昇飛行時に剥落して、その下流に取り付けられているオービタの左主翼前縁のCCTPS（カーボン繊維強化熱防護材）を直撃して、破壊することが飛行後の実験で判明しました。

当該事故の前から飛行中にこの部分の断熱材の剥落が観測され、下流の機体への衝突の危険が指摘されていましたが、それまでの実績から飛行には影響はないとして退けられていたようです。コロンビア事故の後で、発泡断熱材を強化するなど、剥落防止の出来る限りの対策は取られましたが、なお上昇飛行中の当該部の剥落は完全には止められなかったようです。そのために打上後帰還飛行に先立って、宇宙でロボットアームに取り付けたカメラで機体周りを隈なく観察し、安全を確かめる手順が組み込まれ、安全な帰還飛行が保証できないときのために、宇宙でのレスキュー手段が準備されました（宇宙ステーションからの帰還では同ステーションに常備されている緊急帰還用カプセル、その他のミッション（ハッブル望遠鏡修理1回のみ）では別のシャトルをいつでも打ち上げられるような状態で地上待機，下図）。更に膨大な追加費用が必要となり、シャトル退役の要因の一つになりました。

　シャトルの2回の飛行事故、チャレンジャー事故（２５回目飛行）とコロンビア事故（１１３回目飛行）では、以前から現場技術者からは指摘されていたにも拘わらず見過ごされていたとされる問題、固体ロケットブースタのモータケース継手の不具合や、外部タンクとオービタとの結合部からの発泡断熱材の剥落の問題が全損事故に結びついたことは、設計の問題でもありますが、別の観点（組織の文化）からの要素も考えなければなりません　2）。

（運用経験の不足）

前述のように、飛行毎のTPSの点検・更新が膨大な人手を要し、また極低温推進系（エンジン、配管、タンク系）も再使用に関係して、部品の健全性や漏れ点検と修理などで膨大な工数を要し、打上日の際限のない延期やコスト高に直結しています。飛行毎の点検・整備に5千数百人規模の要員が、また打上から着陸までの飛行運用にも数千人規模の要員が係っているとされています　4)。

（基幹輸送系政策）

　NSTS（国家宇宙輸送システム）として米国の基幹輸送系に位置付けられましが、運用のコスト高や不確実性により毎年の巨大な宇宙予算にも拘わらず、米国の宇宙活動の停滞を招き、宇宙活動全体に大きな負の影響を与えました。

一度廃止したELVの復活に加えて、軍では新規に改良型ELVの開発を行う事態になりました。そして、人工衛星の打上などは従来のELVに移し、2本立ての基幹輸送系体制に変更され、その後シャトルは宇宙ステーション建設ミッション以外は行わない輸送機に限定され、人工衛星の打上や軍事ミッションは全てELVに移されました。運用要求が不十分なまま、NSTSとして万能の宇宙輸送系としての設計・開発を行ったことの結末です。

5．後継機の検討　

　スペースシャトルは、ミサイルを改良したELVが人工衛星の打上げに使われ始めて10数年後の時代（1960-70年代初期）の米国の技術と経験を基に計画されました。推進剤タンクなど一部は使い捨てを併用した部分的な再使用型輸送機であったために、スペースシャトル開発中から次世代のシャトル構想が米国だけでなく、いくつかの宇宙先進国でも盛んに検討され提案されてきました。

　その中で80年代に提案された英国のHOTOL（水平離着陸型）は、空気吸込み式を併用した斬新なエンジンを搭載した、航空機に近い概念の単段式の宇宙輸送機でした。英国では技術的な実現性を2年ほど検討して、その見通しが立たないということで、政府の予算が付かなくなって立ち消えになってしまいましたが、以後米国でもこの概念がミスリードして次世代シャトルの検討は単段式の水平着陸型に傾いていった感があります。

単段式の打上機（SSTO）はELVでも例がなく技術的には大分将来の概念ですが、いきなり次の世代のシャトルとして検討の中心になっていきました。
その間にスペースシャトルは、当初の目標の運用費、飛行頻度、信頼度が大きく損なわれる実態が明らかになり、また就航後時間が経ち老朽化と部品の供給への対応から後継機への交代が待望される機運が待ったなしの時期になってきました。

　
　このような中で後継機として、米国（NASA）は単段式の大型機を目指した道をまっしぐらに追求したのです。性能至上のアメリカの、特に軍の文化の影響でしょうか。
スペースプレーン（NASP／X-30）、デルタクリッパー／DC-X）、ベンチャースター／X-33、X-24、CRV／X-38、など様々な提案がなされ、多額の研究開発費が投入されましたが、機体構造やエンジンなどの新規技術の目標達成の目処が立てられず、全てキャンセルという運命を辿っています。
宇宙ステーションの運用には、ロシアや日、欧のELVや米国民間が開発するELVを使い、次の時代の米国の有人宇宙探査計画にも大型のELVを開発するという路線になっています。

　このような革新的技術をシステムの主要部に適用して、次期シャトルの開発を進めることのリスクは現シャトルでも経験したはずですが、それ以外には道はなかったのでしょうか。

　SSTOを狙う限りそのような革新技術を組み込まないわけにはいかないのでしょうが、そのためには段階的な開発の道を探るしかないと思います。

問題は宇宙輸送需要に応えながら如何に段階的に輸送系の新規技術の開発を進めるかということですが、新機種ロケットの開発のサイクルは現状では30年程度にもなっていますので、SSTOは技術者の世代を超えた計画が必要なのかもしれません。その間の地道な研究開発、飛行実験の継続が望まれます。

6．民間機構想

　１９９０年代の初め、インターネットや携帯電話が普及し始めたころ、低軌道に多数の通信衛星を配置して拡大する通信需要に応えようと、世界の多くの通信事業者が衛星通信網の構築を計画し、低軌道への衛星打上げ需要が急激に盛り上がったことはまだ記憶に新しいところです。

この打上げ需要の出現に合わせて、打上機も民間ベースで多数の構想が提案され、その多くが再使用型（RLV）でした（下図）。それも低軌道への小型通信衛星の無人打上に的を絞った、現状の技術をベースにした２段式のものが多かったようです。残念ながら通信事業の先陣を切ったイリジウム計画のビジネス面での破綻により、他の低軌道通信衛星網構想もことごとく撤退に追い込まれ、民間RLV構想も頓挫してしまいました。

　宇宙への輸送需要の成長が期待されるもう一つの流れとして宇宙観光の活動があります。
高度100km程度までの弾道飛行で、短時間の無重量や宇宙景観飛行を体験する機会を提供するものです。帰還時の最大速度が周回軌道からの帰還に比べて１／８程度で空力加熱は二桁ほども少なくて済み、現状の技術をもとに民間で輸送機の開発が競って進められています。ここ１−２年の間に運航を開始するとのふれ込みですが、これがビジネスとして軌道に乗れば、次の段階として飛行範囲を広げた機種の開発も期待されます。
このように、輸送需要があればRLVには多くのアイデアが出て段階的な技術開発の途も開けてくるという兆しが感じられます。

7．まとめ、教訓

　今後の宇宙開発利用の実用化を考えれば、効率の良いRLVの導入がその鍵をにぎっているものと考えます。技術的な可能性についてはスペースシャトルが不十分ながらも実演してくれました。そして、運用費、打上の確実性、信頼性・安全性などの課題が大きく立ちはだかって、RLVの実用化にはまだ遠い道のりがあることも示してくれました。

私見ですが次のような問題点を挙げてみました。

●　システム要求がリスクの高い巨大なものを一気に達成しようとしたこと
●　多くの機能を盛り込みすぎたためにシステムが極めて複雑になり、使い勝手が悪くなった。
●　 運用の省力化、機械化、簡便さが設計段階で優先的には考慮されなかった。
●　 難度の高い新規技術が取り込まれ、再使用に当たって不具合が多発した。
●　段階的開発でなく、一気に国家基幹輸送システムの位置付けで開発されたが、運用性の悪さにより宇宙活動全体に大きな停滞をもたらした。
●　 後継機として、更に難度の高い巨大なシステムを目指した結果、技術的な実現性を見いだせないという袋小路に追い込まれRLVは断念し、ELVへの依存を続けるという事態になった。

究極の宇宙輸送系としてSSTO（単段式打上機）が考えられますが、最小限の革新技術を選んで段階的に継続的に成熟させていくか、あるいは既存の技術と他の分野の成熟した技術を組み合わせて高度なシステムを組み上げて、宇宙輸送需要に応えながら輸送システムを進化させていく長期計画が必要ではないかと考えます。

参照資料

1) 五代富文　チャレンジャー事故とその影響−有人宇宙論壇シリーズ−　2009.11.22　宙の会アーカイブス
http://www.soranokai.jp/pages/minshutou_soranokai_4.html

2) 富田信之　チャレンジャ事故再考　2009.09.06 宙の会アーカイブス
http://www.soranokai.jp/pages/challenger_accident.html

3) Bo Bejmuk, Space Shuttle Integration Lessons Learned, April 2006, Boeing co.
http://www.boeing.com/defense-space/space/constellation/references/presentations/　Space_Shuttle_Integration_Lessons_Learned.pdf

4)　Space Business News, Aug.19,1991

5)　 http://iss.jaxa.jp/iss_faq/shuttle/shuttle_012.html