現代ロケットは 100 周年を迎え、NASA は最高のロケットはまだ来ないと言う

私たちは宇宙時代にいます。ロケットはほぼ毎日宇宙に打ち上げられます。軌道上の宇宙ステーションには、何十年にもわたって継続的に人類が居住しています。空には人工衛星や宇宙望遠鏡がたくさんあります。人類は月に行ったことがあり、また戻ってきています。そしてロボットは太陽系中に点在し、火星の表面を歩き回っています。

この驚くべき技術革新はすべて、100 年前に行われたささやかな実験のおかげです。1926 年 3 月 16 日、アメリカの物理学者であり技術者（そして時々 サイエンティフィック・アメリカン ロバート・H・ゴダードは、マサチューセッツ州オーバーンのキャベツ畑から、高さ11フィート、重さ10ポンドのロケット試作機「ネル」を打ち上げた。ネルが空中に浮かんだのはほんの数秒だったが、その飛行はマイルストーン、つまり史上初の液体燃料ロケットの打ち上げであった。

キャベツの中でその瞬間が始まるまで、それまでのすべてのロケットには固体燃料が使用されており、その起源は、13 世紀の中国で侵略してきたモンゴル人と戦うために使用された火薬入りの「火の矢」にまで遡ります。液体燃料は、ロケットにより強力な推力を与え、その可変流量のおかげで、より多くの制御も提供します。これは、まさに宇宙飛行への本格的な試みに必要なものです。他の初期の先見者、ロシアのコンスタンチン・ツィオルコフスキーやドイツのヘルマン・オーベルトも液体燃料ロケットの変革の可能性に気づいていたが、それを最初に証明したのはゴダードだった。

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彼らが言うように、残りは歴史です。ゴダード飛行 100 周年を記念し、ロケットの未来を理解するために、 サイエンティフィック・アメリカン NASAの2人の専門家、NASAのマーシャル宇宙飛行センターの宇宙核推進プロジェクトのチーフエンジニアであるカート・ポルジン氏と、NASAのグレン研究センターの宇宙推進技術の上級技術者デビッド・マンゼラ氏に話を聞いた。

[An edited transcript of the interview follows.]

ゴダードの「ネル」試作機が今日のロケットと比べてどれほど控えめだったかを考えると、1世紀前のネルの飛行が「現代ロケット」の始まりであると言うのは本当に正確だと思いますか?

クルト・ポルジン: ロバート・ゴダードは、火薬を詰めたキャニスターなどの固体推進剤システムという初期のルーツを超えて、ロケット工学を発展させた先駆者でした。彼の科学的かつ分析的なアプローチは、ロケットのコンポーネントを体系的に設計および改善するための枠組みを確立し、その方法論は今日でも踏襲されています。

ゴダードの画期的な飛行は、化学ロケット、核熱ロケット、太陽光および原子力電気推進を含むさまざまな宇宙推進システム開発の基礎を築きました。違いはあるものの、これらのシステムには共通の原理があります。それは、化学結合、核反応、太陽光発電などのエネルギー源を、推力を生み出す高速のガスまたは粒子の流れに変換するというものです。

注目すべきは、ゴダードの洞察力が電気推進にまで及んだことです。彼のメモの中で、彼は電子などの荷電粒子を加速して推進する可能性を認識しており、この概念は現在現代の宇宙船で使用されているイオンスラスターを予期したものでした。

宇宙への打ち上げは今やあまりにも当たり前のことであり、ニュース価値があるとはほとんど見なされなくなっている。ゴダードにインスピレーションを得た化学ロケットができることの限界に達したという印象を持つ人もいるかもしれない。残されたフロンティアは何だと思いますか？

ポルジン: 化学ロケットは、ゴダードの先駆的な研究と関連付けられることが多いですが、現在では 1 世紀にわたる共同イノベーションを網羅しており、宇宙探査の根幹を成してきました。液体酸素と液体水素、液体酸素と灯油、さまざまな固体ロケット モーター推進剤などの従来の推進剤の組み合わせは、広範囲に改良されてきました。 「新しい宇宙」企業による最近の開発では、メタンやハイブリッド推進剤などの代替燃料が導入されており、信頼性、コスト、運用の柔軟性においてさらなる利点が得られる可能性があります。

推進ブースト段着陸（たとえば、SpaceX の Falcon 9 や Blue Origin の New Glenn ロケットで使用）などの革新的なアプローチにより、打ち上げコストが削減され、打ち上げ頻度が増加し、宇宙へのアクセスがこれまで以上に容易になりました。化学ロケットは、当面は軌道に到達するための主要な手段であり続けるだろうが、「究極の」ロケットは実際には存在しないことを覚えておくことが重要である。異なるミッションには異なる解決策が必要であり、単一のロケット設計ではすべての目的に対応できるわけではない。

今後を見据えると、化学ロケットにはいくつかのフロンティアが残されています。極低温流体管理の進歩により、ボイルオフを防止することで化学推進剤を使用した長期間のミッションが可能になる可能性がある一方、原子力推進に関する継続的な取り組みと「CubeSats」および「SmallSats」用の小型推進システムの普及により、状況がさらに拡大することが期待されます。そして、場所を変更したり、ペイロードや宇宙飛行士を地表から押し上げたりするために、他の惑星でロケットを飛行させるなどのユースケースはまだ表面をなぞり始めていません。

デビッド、これはあなたへの質問です。宇宙内の推進システムは、惑星からペイロードを打ち上げるために使用されるロケットとはかなり異なります。ロケットがどこへ向かうのかについて、あなたは何に興奮していますか?

デビッド・マンゼラ: そうですね、私は個人的に宇宙推進システムに取り組んでいます。これは、宇宙船が軌道に到達した後に推進するために使用される技術です。これらのシステムの基本的な課題は、推力対質量比が 1 を超えないことです。つまり、通常、ペイロードを軌道上に持ち上げるのに必要な推力よりも少ない推力を生成します。しかし、軌道上に置かれた物体は貴重であり、通常はそれらを長年にわたって運用する必要があるため、宇宙内での推進が必要です。

現在、これは、何かを打ち上げるとき、最初から、必要な燃料をすべて携行し、その宇宙船の寿命にわたって使用する必要があることを意味します。私たちが取り組んでいる技術は、非常に燃料効率の高いロケット エンジン (通常はスラスターと呼ばれるもの) を製造することでこの問題に対処しようとしています。その最良の方法の 1 つは、推進剤に電気エネルギーを加えて増強することです。そしてそのエネルギーは宇宙で生成されます。

現在、それは太陽光発電アレイを使用して行われています。ただし、これらの電気システムが強力であればあるほど、電気推進スラスターが提供できる威力も大きくなり、宇宙に推進できるものは大きくなるということを覚えておいてください。

この点で私のお気に入りの代表作は、NASA が開発中の Power and Propulsion Element です。これには 60 キロワットの電力システムが搭載されており、搭載推進システムはこれを使用して、3,000 kg 未満の推進剤を使用して 18,000 kg の宇宙船を月に押し込むことができます。質量の 90% が推進剤である打ち上げロケットとはまったく対照的ですよね。

それは印象的ですね。そして私は、パワーと推進要素がまだ宇宙を飛んでいないことを知っています – あなたとあなたの同僚 生まれて初めてパワーアップしました、実際、昨年のテストで。今後、どんなことに興奮していますか？

マンゼラ: 将来のエキサイティングな部分は、さらに高出力のシステムが開発でき、いつか太陽光発電の太陽電池アレイが、桁違いに多くの電力を生成する原子力システムに置き換えられる可能性があることです。 NASA は、今日の火星の有人探査を含め、これを可能にする技術を開発しています。それが私を興奮させるのです！

ポルジン: 私もこれについて話させてください。ロケットの将来について私が最も興奮しているのは、性能と応用の両方の領域が拡大していることです。ロケットは本質的に、宇宙の探索と利用を可能にするために不可欠なツールですが、それ自体が発見の手段ではありません。その真の価値は、科学的調査、探査、そしてますます地球外での永続的な人類の存在の確立を促進する技術と積載量を提供する能力にあります。

パフォーマンスの面では、革新が限界を押し広げ続けています。推進システムの進歩により、効率、信頼性、到達距離の向上が約束されます。これは、化学ロケットの段階的な改良、メタンやハイブリッドなどの新しい推進剤の組み合わせの実験、または太陽光発電や原子力推進などのシステムの追求を通じて実現されます。これらの開発は、火星への有人旅行や深宇宙サンプル帰還ミッションなどの野心的なミッションに取り組むために不可欠です。そして、科学、商業、探査の幅広い目標を達成するには、多様な推進システムが不可欠です。

アプリケーションの観点から見ると、最もエキサイティングな開発には、探索を超えて拡張と利用への移行が含まれます。私たちは、次のような問題について大胆に考え始めています。火星から人間を安全に送り出し、帰還させるにはどうすればよいでしょうか?太陽系の遠く離れた天体からサンプルを収集して返送するにはどうすればよいでしょうか?初期の探査から宇宙での永続的な存在の確立に移行するには、どのようなインフラストラクチャが必要ですか?このビジョンはさらに拡張され、NASA のアルテミス プログラムによる宇宙への拡張で得られたリソースと能力の活用が含まれ、持続可能な運用と科学、産業、さらには地球外の日常生活の新たな機会を可能にします。

結局のところ、ロケットの未来とは、新たな可能性を実現することです。エンドユーザーが利用できる打ち上げオプションの範囲が広がるにつれ、科学知識の進歩、商業ベンチャーの開発、恒久的な宇宙文明の基盤の構築など、さまざまなミッションを追求するための準備が整います。この分野は大胆な思考と独創的な解決策で栄えており、これらが宇宙探査と開発の次の時代をどのように形作るかを見るのがとても楽しみです。

マンゼラ: 私たちは確かに、人類の歴史の中で、私たち一人一人が毎日宇宙ベースのシステムの影響を受ける可能性がある新しい時代に入りつつあります。今後もその傾向はさらに加速していくと思います。テクノロジーが進歩し続けるにつれて、宇宙が私たちの生活様式の一部となりつつあることは明らかです。そして、はい、この進歩の多くは、1世紀前のロバート・ゴダードの初飛行に遡ります。