国際競争力のある H3ロケット用固体ロケットブースタの開発
Development of Internationally Competitive Solid Rocket Booster for H3 Launch Vehicle
柳澤岸長

正弘

株式会社 IHI エアロスペース

ロケット技術部宇宙プロジェクト室

光一

株式会社 IHI エアロスペース

ロケット技術部宇宙プロジェクト室室長

徹株式会社 IHI エアロスペース

ロケット技術部宇宙プロジェクト室

主査

尾

近年，商業衛星の打上げ受注を目指した大型格安ロケットの開発が世界中で進められている．業界の雄であるアリ ア ン ス ペ ー ス 社（ 欧 州 ）の Ariane 6 を は じ め， イ ー ロ ン・ マ ス ク 氏 率 い る ス ペ ー ス X 社（ ア メ リ カ ）のFalcon 9 お よ び Falcon Heavy，ULA 社（ ア メ リ カ ）の Vulcan， さ ら に， ロ シ ア や イ ン ド な ど． そ し て 日 本 も2020 年度の初打上げを目指し，H3ロケットを開発中である．本稿では，H3ロケットおよび 補助ロケットである固体ロケットブースタについて紹介する．
Recently, low cost launch vehicles intended for large commercial satellites are being developed actively all over the world,including Ariane 6 by Arianspace ( Europe ) , Falcon 9 and Falcon Heavy by SpaceX ( USA ) , a company led by Elon Musk,Vulcan by ULA ( USA ) and by Russian and Indian companies. Moreover, Japan is also developing the next flagship launchvehicle called H3. This paper introduces H3 and its strap-on booster “SRB-3.”

1. 緒の姿勢制御用ガスジェットの開発に参画している．

言固体ロケットブースタとは，固体燃料を使用するロケッ

H3ロケットは，H-IIA および H-IIBロケットに代わトエンジンである．H3ロケット本体にブースタを取り付る日本の基幹ロケットとして，2014 年度に開発が開始さけることで大推力が得られ，より重い衛星の打上げを効率れた．現在は詳細設計フェーズであり，2020 年度に国立的に行うことが可能となる．

研究開発法人宇宙航空研究開発機構 ( JAXA ) 種子島宇宙

本稿では，H3ロケットおよび SRB-3 の概要と，SRB-3センター（ 鹿児島県 ）からの初号機打上げを目指してい開発のコンセプトである低価格と高信頼性の両立を実現する．

るために，SRB-3 で導入した要素技術について紹介する．

株式会社 IHI エアロスペース ( IA ) は JAXA との開発

2. H3ロケット

契約のもと，キー技術メーカとして H3ロケットの補助ロケ ッ ト で あ る 固 体 ロ ケ ッ ト ブ ー ス タ ( SRB-3：SolidH3ロケットを第 1 図に示す．

Rocket Booster -3 ) および，H3ロケット本体第 2 段搭載

H3ロケットの開発では，日本の宇宙輸送の自立性の確(a)

ロケット外観(b)

固体ロケットブースタ ( SRB-3 )H3ロケット

©JAXA

©JAXA

第 1 図 H3ロケット
Fig.1 H3 launch vehicle

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IHI 技報Vol.57 No.3 ( 2017 )This document is provided by JAXA.

保（ 他国の援助や支配を受けずに宇宙輸送が行えること ）(1) 3 基+0 本と国際競争力のあるロケットおよび打上げサービスを実現(2) 2 基+2 本させ，産業基盤の維持・強化を図ることが期待されてい(3) 3 基+2 本

る．

(4) 2 基+4 本

日本のロケットはこれまで，その顧客の大半が日本の公衛星のサイズや投入軌道に応じた形態を採ることで価格的機関であった．しかし，国の厳しい財政事情から，今を抑える構想としている．第 2 図に H3ロケットのファミ

後，日本の宇宙輸送産業が官需のみで発展していくのは難リー構成を示す．

しく，技術基盤を維持・強化していくためには民需を取りまた，機体を構成する各コンポーネントも，大幅な原価込む，すなわち商業衛星の打上げを受注する必要がある．

低減を図っていく．3 基 + 0 本（ 第 2 図 - ( a ) ）の形態

商業衛星の打上げにおいて，顧客である民間衛星事業者

で，打上げ費用は H-IIAロケットの約半額を目標にしていが重視するのは，① 低価格 ② 高信頼性 ③ 顧客要望に対る．

する柔軟性，である．特に，近年はアメリカの民間会社で3. 固体ロケットブースタ ( SRB-3 )あるスペース X 社が Falcon 9 ロケットを市場投入し，そSRB-3 の外観を第 1 図 - ( b )，SRB-3 の開発仕様を第の圧倒的な低価格を武器に急速にシェアを伸ばしており，

1 表に示す．SRB-3 は，H-IIAロケット，H-IIBロケット

低価格化への対応が重要となっている．
H3ロケットは，ロケット本体のエンジン基数と SRB-3の本数に応じて，次の四つの形態をもつ．のブースタおよび，イプシロンロケットの第 1 段エンジンとして使用している SRB-A と同等のサイズであり，(b) 2 基+2 本(c) 3 基+2 本(d) 2 基+4 本

衛星打上げ能力( a ) 3 基*1 + 0 本*2©JAXA（ 注 ） *1：エンジンの基数*2：SRB-3 の本数

第2図

H3ロケットのファミリー構成
Fig. 2 H3 launch family

第 1 表 SRB-3 の開発仕様
Table 1 SRB-3 development specifications
SRB-A（ H-IIAロケット用 ）SRB-3（ H3ロケット用 ）固 体 推 進 薬項−コンポジット推進薬

コンポジット推進薬

真 空 中 推 力tf

約 180約 220性s

283.6

283.6 以上

固体推進薬量t65.9

約 66.8全長m

15.214.6

直径m

f 2.5

f 2.5間s

116

約 105

ノズル駆動方式−

電動アクチュエータなし（ ノズル固定式 ）分−

スラストストラット・分離モータ方式

分離スラスタ方式

燃目

能 (Isp)*1

焼離時
方式

単位

（ 注 ） *1：質量 1 kg の推進薬が 1 kgf の推力を発生し，維持できる時間（ 燃費に相当 ）IHI 技報Vol.57 No.3 ( 2017 )53This document is provided by JAXA.

SRB-A の基本仕様を踏襲している．これによって，新規のフィラメントワインディング方式による一体成型モータ技術の導入による開発リスクを低減し，かつ，SRB-A のケースを採用している．また，SRB-A は，短期間開発で製造設備や治工具の流用割合を上げることで開発費の低減あったため海外技術を導入している．
SRB-3 は，SRB-A と同様に CFRP の一体成型モータを図る．
一方で，顧客要求に応えるため，SRB-A と同等以上のケースを採用している．SRB-A からの変更点としては，高い信頼性を確保しつつ，大幅な原価低減を行う必要があ( 1 ) 材料の国産化 ( 2 ) 海外技術に頼らない IA による設る．そのため，SRB-3 では，部品点数削減や簡素化など，計，が挙げられる．

シンプルな構成を追求することで原価低減と高信頼性の両IA では，M-V ロケット上段モータケースの開発，SRB-A方を実現可能な仕様とした．原価低減を行ううえでの仕様

モータケースの国産化研究，およびイプシロンロケット上設定のポイントを以下に示す．

段モータケースの開発，また，防衛他機種での開発経験に( 1 ) モータケースなどのコンポーネントの板厚適正化

おいて，大型 CFRP 製モータケースの設計・製造・品質保証の技術，ノウハウを蓄積してきた．と材料の内製化( 2 ) H3ロケット本体との結合・分離方式の簡素化

具体的な要素技術としては，① 燃焼ガスのシール部設( 3 ) SRB-3 のノズル首振りによる推力方向制御機能

計 ② 荷重伝達構造と圧力容器部との接合部設計 ③ 強度・の廃止（ 機能をロケット本体側のノズル首振りに統剛性設計 ④ CFRP 物性値データベース ⑤ CFRP 成形技合）術 ⑥ 非破壊検査を含む品質保証技術，が挙げられる．

本稿では ( 1 ) に対応したモータケースの国産化開発および，( 2 ) に対応した分離スラスタの新規開発についてこれらの成果を活用することによって，次の効果が挙げられる．
( 1 ) 材料国産化においては，CFRP や，荷重伝達構造紹介する．

4. SRB-3 モータケースの国産化開発と圧力容器部との接合部に使用するゴム材を，現在のアメリカ製から IA での内製へ切り替える．これ

モータケースとは，推進薬燃焼時のガス圧と温度に耐えにより，素材調達の自由度が増すこと，および内製る圧力容器であり，SRB-3 から H3ロケット本体側へと推化に伴う製造性改善活動によって，大幅な原価低減力を伝達する構造部材でもある．構造部材であることかが見込める．

ら，強度・剛性が要求されると同時に，軽量であることも求められる．第 3 図にモータケースの外観を示す．

( 2 ) IA による設計では，強度・剛性設計の技術やCFRP 物性値データベースの精度向上成果を活用し，SRB-A では，構成を簡素化し，燃焼圧力を上げブース

従来の SRB-A では 1.5 としていた安全係数を 1.25

タ推進特性を向上させるために，炭素繊維複合材 ( CFRP )に下げることができた．これによって，材料使用量を削減でき，原価低減に大きく寄与できる．さらに，

治具

設計は全て IA であることから，海外技術導入に伴うライセンス料も不要となる．
原価を下げる一方で，同時に高い信頼性を確保しておく

モータケースことも忘れてはいけない．宇宙開発では，1 回の打上げで巨額の費用が掛かり，失敗が許されないため Test as you
Fly ! Fly as you tested ! ， End to End Test. をキャッチ

治具フレーズとして，可能な限り実際のフライト環境を模擬した環境で試験を実施する．SRB-3 開発においても，その理念を踏襲しており，実機大での地上燃焼試験や分離試験を複数回実施する．
モータケースの開発に関しては，実機大試作試験（ 耐第 3 図 モータケース外観
Fig. 3 Motor case overview

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圧，強度剛性，破壊試験 ）を 2 回ずつ実施する．実機大モータケースを用いて，荷重条件である内圧および外部荷IHI 技報

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重に耐荷することを確認するとともに，機体剛性値を取得する．また，内圧による破壊試験まで実施することで，モータケースの限界性能を把握し，モータケースの設計・のある開発である．
次に，分離スラスタの主な仕様を以下に示す．また，分離スラスタ構造および作動概要を第 5 図に示す．
( 1 ) 結合時，シリンダ部に対して周方向に等間隔に配製造に関する理解をより深める．

置された四つのロックキーが，シリンダ部半径方向

5. SRB-3 分離スラスタの新規開発の外側に張り出して内部ピストンによって保持され分離スラスタとは，H3ロケット本体と SRB-3 の間に搭載され，これらを結合・保持する機能をもつ．また，る．これによって，シリンダ部とロケット本体側端部の相対位置が固定される．

SRB-3 の燃焼終了後に火薬の燃焼ガス圧によって，ロ( 2 ) 作動開始時，ガスジェネレータ（ GG：ガス発生ケット本体と SRB-3 の結合を解除し，分離力を発生させ装置 ）に着火し，結合解除・投棄に必要なエネルSRB-3 を投棄する機能をもつ．

ギーを発生させる．その際，GG の燃焼ガス圧によっ

H3ロケットでは，SRB-3 の結合・分離方式を H-IIA ロて内部ピストンがシヤピン A を破断してピストンがケットで採用していた ストラット・ブレス・分離モーロケット本体側に動き，ロックキーが半径方向の内タ 方式から， スラストピン・分離スラスタ 方式に変側に引っ込む．すると，シリンダ部は SRB-3 側にス更した．第 4 図に SRB の分離方式を示す．

トロークを延ばすことが可能となり，継続的な燃焼

この方式によって，H-IIAロケットでは 6 点あったロガス圧によって，SRB-3 に分離速度を与える．

ケット本体と SRB の結合箇所が 4 点となり，部品サイズ( 3 ) シリンダ部が伸び切り，慣性力によってシヤピン Bの縮小，部品点数の削減，および射場整備性の向上に寄与が破断し，ロケット本体との結合が解除される．
開発リスク低減および信頼性確保の観点から，分離スラすることから，原価低減につながる．
同様の機能をもつ分離スラスタとしては，ULA（ Unitedスタの要素技術は既開発品技術である，① GG 主装薬種

Launch Alliance（ アメリカ ））社の Atlas V ロケットで② シリンダ内シール仕様 ③ シヤピンによる機構制御，な採用されているアメリカメーカ製のものなどがある．

どを優先的に活用した．さらに，SRB-3 の分離異常をトッSRB-3 ではこれらと比べて質量の大きい SRB-3 を分離すプ事象とした FMEA（ 故障モード影響解析 ）結果から技るために大きなエネルギー（ 最大 11 t の SRB-3 を 4 〜

術リスク高の項目を抽出し，対応する要素試験を実施し5 m/s まで加速する ）が必要であり，耐荷重や分離力は数た．技術リスク高の項目と要素試験の概要を以下に示す．

倍の大きさが要求される．これは，世界的にみても新規性(a)

SRB-A（ H-IIAロケット用 ）前方ブレス（ 2 本 ）(b)

SRB-3（ H3ロケット用 ）前方分離スラスタ（1 本）

スラストストラット（2 本）

スラストピン（1 本）

後方分離スラスタ（2 本）

後方ブレス（ 2 本 ）分離モータ（ 2 個 ）

©JAXA

©JAXA

第 4 図 SRB の分離方式
Fig. 4 SRB separation system

IHI 技報Vol.57 No.3 ( 2017 )55This document is provided by JAXA.

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作動後（ 分離後 ）

作動中
（ 分離中 ）

作動開始

作動前
（ 飛しょう中 ）作動順序

SRB-3 側⑥SRB-3 側

①造

概

要

⑥

SRB-3 側SRB-3 側①④④②⑦⑤⑦ シヤピン B

ロケット本体側

ロケット本体側

ロケット本体側③

ロケット本体側

第 5 図 分離スラスタ構造および作動概要
Fig. 5 Separation thruster designs and release process⑥ シリンダ部動

概要火（ 燃焼ガス圧発生 ）断断ロケット本体と SRB-3 の結合を解除⑦： 破④： SRB-3 側へ移動⑥： ストロークエンドに達する⑥： ① 燃焼ガス圧によって SRB-3 側へ移動⑤： ② の内側へ引っ込む④： ロケット本体側へ移動③： 破②： ロケット本体側へ移動①： 着⑤： 4 か所（ シリンダ部円周に 4 等分配置 ）で ⑥ と ⑧ の相対位置を固定

作（ 注 ） 図中の符号 ①～⑦ は，すべて同一内容を示す．

① GG ④ ピストン ② 内部ピストン ⑤ ロックキー ③ シヤピン A ⑧ロケット本体端部

構

5. 1 高圧環境下における GG の燃焼特性

測どおりの内圧，分離荷重，分離速度が得られることを確

分離スラスタで使用する GG は，短時間に高圧のガス認する試験を実施した．

を発生させる必要がある．GG 燃焼時にスラスタ内部に生試験の結果，試験値と設計予測値は同様の傾向がみらじる圧力は，従来主装薬の適用圧力範囲を超過しており，れ，かつ，予測値が試験値を分離荷重最大値で 5％程度下主装薬の燃速パラメータが変動する領域であると考えられ回る程度の良好な結果を得た．今後は，フライトに向けたる．そのため，その特性を確認しておく必要があった．

出力調整などを実施し，より完成度の高い分離スラスタへ高圧領域における燃速データの取得試験を実施し，主装薬は設計領域内において燃速パラメータが変化するというデータを得た．そのため，設計では安定燃焼の可否に注意する必要がある．と仕上げていく所存である．

6. 結言

H3ロケットおよび SRB-3 の概要と，SRB-3 で導入し5. 2 機構部の作動特性た要素技術（ 詳細設計フェーズでの中間状況 ）を述べた．

分離スラスタは新規品であることから，開発の早い段階

今後は，実機大の地上燃焼試験や分離試験などの大規模試で試作試験モデルを製造し，結合保持，結合解除，投棄機験の実施が控えている．確実に開発を進め，2019 年度の能を実証し，技術成熟度を向上させる必要があった．その開発完了を目指す．

ため，GG を駆動力源として分離スラスタを作動させ，予IHI 技報

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