宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

宇宙旅客輸送推進協議会-宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム-「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」
NagaTomo
2022年６⽉６⽇㈱SPACE WALKER
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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

⽬ 次 (1/2)
1. 技術検討要請仕様の確認<補⾜1-1：本作業のアウトカムとその後の展開><補⾜1-2：地上〜LEO施設，オービタル，P2Pを⼀つの輸送体系として検討><補⾜1-3：輸送サービスおよび技術検討の要考慮条件><補⾜1-4：技術要件の主要観点と考慮すべき事項><補⾜1-5：PKG2.のアウトプットイメージ(2/2)>

2.宇宙輸送体系の将来像と技術要件
2.1 年代順の構想＜補⾜2.1-1：SPACE WALKER＞

2.2 技術要件
2.3 技術課題と難易度
2.4 研究開発計画
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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

⽬ 次 (2/2)
3. 付録<付録A-1：低軌道領域の将来宇宙輸送システムの発展経路><付録A-2：宇宙輸送系ロードマップ(再使⽤化)><付録A-3：(補⾜2)個別・技術ロードマップ(素案)><付録A-4：⾰新的将来宇宙輸送システムロードマップ(案)><付録A-5：JAXA⾰新的将来宇宙輸送プログラム 第1回RFIにて募集するテーマ><付録A-6：JAXA⾰新的将来宇宙輸送プログラム 第2回RFIにて募集するテーマ>

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1. 技術検討要請仕様
補⾜1-1〜4 参照

引⽤：＊「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術」検討(PKG2)要請へのインプット（PKG2-2021-001-NC），pp14.

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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」<補⾜1-2：地上〜LEO施設，オービタル，P2Pを⼀つの輸送体系として検討>

サブオービタルは検討の対象外
引⽤：＊「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術」検討(PKG2)要請へのインプット（PKG2-2021-001-NC），pp11.

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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」<補⾜1-4：技術要件の主要観点と考慮すべき事項>

引⽤：＊「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術」検討(PKG2)要請へのインプット（PKG2-2021-001-NC），pp13.

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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」<補⾜1-5>
2040年代に⽬指すべき輸送系の将来像＋RBCC

引⽤： SLA PKG2インプットパッケージ説明会(画⾯キャプチャー) 2021-11-117

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2. 宇宙輸送体系の将来像と技術要件
2.1 年代順の構想（図2.1-1)
2020年代：・ロケットエンジンベースの無⼈/有⼈サブオービタル
スペースプレーンの実⽤化
・エアブリージングエンジンの研究開発
2030年代：・エアブリージングエンジンを搭載したサブオービタル/オービタルスペースプレーンの技術実証
2040年代：・エアブリージングエンジンを推進系の基軸にした／TSTO(Two-Stage-To-Orbit)／SSTO(Single-Stage-To-Orbit)の実⽤化
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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

2020

2030
Industry-University R&D

WIRES#015

Experimental
Winged Rocket

LNG Engine

Suborbital Spaceplane2040~Manned Orbital Spaceplane withCombined Airbreathing and Rocket EngineFuJin
RaiJinNagaTomoTSTO©SPACE WALKER

LOX/Methane Engine

HIMICOPCTJ(Pre-Cooled Turbo Jet) Engine

FTBATRIUM(Air-Turbo RocketIntegrated Utility Mission)• Research andDevelopment
Agency-University R&D• Flight
Hypersonic Demonstration
Hypersonic Turbo Jet Engine
New Sounding Rocket
ATRIUM II Engine

図2.1-1

Airbreathing
EngineSSTO “Skylon”©Reaction Engine
https://www.bbc.com/news/scienceenvironment-27591432

・Earth Orbit Flight・Moon and Mars Round Trip
・Point-to-Point Flight on the Earth

宇宙輸送体系の将来構想

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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」＜補⾜2.1-1：SPACE WALKER (1/3)＞■ 開発計画
ü 科学ミッション機と⼩型衛星打上機の共⽤
ü 宇宙旅⾏機は，共⽤機と同⼀形状
ScienceMission

2029〜FuJin ⾵神 〜
2027

2024〜

2030s〜
SpaceTourism

Small Satellite
Launch Mission

NagaTomo ⻑友RaiJin 雷神
Winged Test
RocketWIRES#015

Joint Venture Partnership
Tokyo
University ofScience10

宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」＜補⾜2.1-1：SPACE WALKER (2/3)＞■ 科学ミッション/⼩型衛星打上共⽤機

2.9 m

12.9 mSuborbital Spaceplane
Mass [kg]DryComposite
Airframe

13,081

Propellant Mass
15.6 m

Propulsion Gas
2.9 m

Composite LOX Composite LNG
Tank
Tank

17.5 mRCS Gas
Total

LOX

24,687

LNG

8,967

He

4N295

N2176
47,01011宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」＜補⾜2.1-1：SPACE WALKER (3/3)＞■ 世界と戦う先端技術
技術分野

項⽬

1 インテグレーションl Airframe/System Integration & GSE’s, Operation

2 システム最適化*

l System Optimization Methodologies (Vehicle/Propulsion
System/Trajectory)

3 故障許容設計

l Manned/Unmanned Fault Tolerant System (NGC,Structure, Engine-Propulsion System, Mechanical &Electrical Equipment, Communication System)

4 LOX/LNG エンジン*l Reusability (Reliability, Health Monitoring, ThrustAugmentation, Reignition),l Clean Propellant

5 ⾃動航⾏技術*

l Failure Tolerant Navigation Systeml Real-time Optimal Trajectory Generation and Guidancel Adaptive Attitude Control Theory

複合材構造

分担Tokyo
University ofScience

Tokyo
University ofSciencel Complex Airframe Composite Molding

6 複合材製推進薬タンク*l LOX Compatible Composite Tank (CFRTP-PC)
l Super-pressure Composite Gas Tanks

7 Legalizationl Public-private council led by Cabinet Office/ Ministry ofLand, Infrastructure, Transport and Tourism* World Competitive Technologies

TokyoUniversity ofScience12

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2.3 技術課題と難易度 (1/14)

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2.3 技術課題と難易度 (2/14)

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2.3 技術課題と難易度 (3/14)

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2.3 技術課題と難易度 (4/14)

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2.3 技術課題と難易度 (5/14)

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2.3 技術課題と難易度 (6/14)

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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」2.3 技術課題と難易度 (7/14)

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2.3 技術課題と難易度 (8/14)

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2.3 技術課題と難易度 (9/14)

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2.3 技術課題と難易度 (10/14)

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2.3 技術課題と難易度 (11/14)

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2.3 技術課題と難易度 (12/14)

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2.3 技術課題と難易度 (13/14)

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2.3 技術課題と難易度 (14/14)

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2.4 研究開発計画 (1/14)

注記： 研究開発規模は，基礎的な研究および試作範囲とする■は研究機関27

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2.4 研究開発計画 (2/14)

注記： 研究開発規模は，基礎的な研究および試作範囲とする■は研究機関28

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2.4 研究開発計画 (3/14)

注記： 研究開発規模は，基礎的な研究および試作範囲とする■は研究機関29

宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

2.4 研究開発計画 (4/14)

注記： 研究開発規模は，基礎的な研究および試作範囲とする■は研究機関30

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2.4 研究開発計画 (5/14)

注記： 研究開発規模は，基礎的な研究および試作範囲とする■は研究機関31

宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

2.4 研究開発計画 (6/14)

注記： 研究開発規模は，基礎的な研究および試作範囲とする■は研究機関32

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2.4 研究開発計画 (7/14)

注記： 研究開発規模は，基礎的な研究および試作範囲とする■は研究機関33

宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

2.4 研究開発計画 (8/14)

注記： 研究開発規模は，基礎的な研究および試作範囲とする■は研究機関34

宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

2.4 研究開発計画 (9/14)

注記： 研究開発規模は，基礎的な研究および試作範囲とする■は研究機関35

宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

2.4 研究開発計画 (10/14) 注記： 研究開発規模は，基礎的な研究および試作範囲とする■は研究機関36

宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

2.4 研究開発計画 (11/14) 注記： 研究開発規模は，基礎的な研究および試作範囲とする■は研究機関37

宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

2.4 研究開発計画 (12/14) 注記： 研究開発規模は，基礎的な研究および試作範囲とする■は研究機関38

宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

2.4 研究開発計画 (13/14) 注記：研究開発規模は，基礎的な研究および試作範囲とする■は研究機関39

宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

2.4 研究開発計画 (14/14) 注記： 研究開発規模は，基礎的な研究および試作範囲とする■は研究機関40

宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

進化計算⼿法・⽣物の進化メカニズムを摸擬したような探索アルゴリズム
・多⽬的問題を扱うことが可能で，⼤域的な解探索性能に優れるため，機体設計変数に適⽤
進化計算⼿法
機体設計変数（機体形状，エンジン設計）

機体設計解析
CFD解析

初期質量推薬消費量
⾶⾏軌道成⽴性

空⼒解析(CFD)

機体質量計算エンジン解析

提案⼿法
空⼒解析で近似モデルの利⽤→ ⼊出⼒関係を表すデータを⽤いて代数計算を⾏い⽬的関数の推定値を計算する

勾配法による
軌道最適化
空⼒性能
機体質量
エンジン性能推薬量

課題
・計算コストの制約から低コスト低精度のCFD解析
・詳細な空⼒形状の最適化はしていない

図2.4-1

進化計算を援⽤した多⽬的複合領域システム最適化

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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」[研究背景]
スペースプレーンの機体形状は様々な⾶⾏領域においての要求を満たす性能が必要→ ⾃由度の⾼い3次元形状での最適化計算が必要[提案⼿法：主成分分析]
制御点（⾚点）を定義する
座標が設計変数（12個）

空⼒中⼼

設計変数・計算コスト増加

最適翼型
最⼤揚抗⽐

図2.4-2

遺伝的⼿法を⽤いた最適翼型(超⾳速)42

宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

NagaTomo

Cockpit/Cabin

図2.4-3

亜⾳速，遷⾳速，超⾳速と極超⾳速⾶⾏を可能とする最適⾶⾏形状

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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

⼩型衛星打ち上げ⽤⼆段式有翼ロケットの空⼒⼲渉効果を考慮した分離解析→対象機体において分離に適した結合位置および迎⾓を決定する．

CFD解析によって得られた空⼒係数を計算プログラムに内挿．
さらに，CFD解析の結果から分離に適した相対位置を決めてシミュレーション．

機体間の相対位置を変化させたCFD解析

図2.4-4

運動計算を含めた分離⾶⾏シミュレーション

⼆段式スペースプレーン (⼩型衛星打上)の分離解析

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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

FADS (Flush-type Air Data Sensing)：
亜⾳速から極超⾳速を⾶⾏する機体において，誘導制御に必要なエアデータを取得• センサの1故障許容と2故障判別，極度な低動圧により推定精度の低下を判別• ２層基準圧室による幅広い動圧域で⾼精度推定を実現• ３Dプリンターによる製造

圧⼒孔

FADS正⾯図

図2.4-5FADS (Flash-type Air Data Sensing) System

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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

弾道⾶⾏低動圧下

慣性上昇

再突⼊

遺伝的アルゴリズムを⽤いた実時間
最適軌道⽣成と誘導

凸⼆次計画法と進化計算の複合による滑空帰還軌道群の⽣成

動⼒上昇〜再突⼊フェーズ• ⾶⾏環境が激しく変化し，機体制約を満たすコマンド算出に課題

帰還滑空フェーズ
• 着陸滑⾛路にアプローチ可能な軌道経路算出に課題• フーリエ級数を⽤いた誘導コマンド
表現• ベジエ曲線を⽤いた
軌道形状表現

エンジン
燃焼終了

帰還滑空
⽬標地点

凸⼆次計画と進化計算の複合による滑空帰還軌道群の⽣成

時間 [s]

着陸滑走路

初期位置

東西位置 [km]射場

図2.4-6

リアルタイム最適軌道⽣成と誘導

バンク角 [deg]

動⼒上昇南北位置 [km]多様な軌道候補
終端位置

迎角 [deg]

進化計算を⽤いた軌道の最適化

時間 [s]

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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」■ 多階層ダイナミックインバージョン法の研究
制御系が煩雑化になることを防ぐため，機体とアクチュエータの運動を階層化しそれぞれDI法を適⽤
応答速度の違いによりモデルをサブシステムに分割し，モデル毎に制御設計を⾏う

下階層の応答が⼗分に速いとき，上階層の応答が線形で近似できる■制御系のオンボード安定性補償に関する研究

階層化のイメージ

モデル化誤差や外乱を考慮しても⽬標値に追従できる制御システムが必要
⾶⾏環境に依らずDI制御則の⼗分な安定性が確保されるように疑似⼊⼒のパラメータを⾶⾏中に⾃動で調整

図2.4-7多階層ダイナミックインバージョン理論を⽤いた適応姿勢制御

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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

n 世界初pCFRPC (pitch Carbon Fiber Reinforced PolyCarbonate)
製液体酸素タンクの研究開発
l Patent Application No. 17016 (Japan) 「Flame-Retardant Carbon Fiber
Reinforced Plastic」(October 13, 2017）l Patent applications to US, China, France and Germany assisted by JST
Subsidy

Polycarbonate Impregnated PitchCarbon Fiber
(Open Fiber Tape)

図2.4-8

DLR - Project PROCOMP
A new production and design method for a hydrogen fuel tank(https://www.youtube.com/watch?v=xIMHHebGuGI&t=9s)

複合材製液体酸素タンク

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項⽬

条件

充填気体

⽔素

設計圧⼒105MPa

破壊圧⼒236.3MPa (安全率2.25)

容量100,300リッター

⽔素透過率

5cm3/(L･h)以下

口金を融着

ｶﾞｽﾊﾞﾘｱ材G-Polymerを添加したポリエ
チレンを回転成型によりライナーを成形（＠㈱⽇本耐蝕）

フィラメント
ワインディング

加熱炉

国⽴研究開発法⼈新エネルギー・産業技術総合開発機構 ⽔素利⽤技術研究開発事業 (2016年度〜2019年度)「燃料電池⾃動⾞及び⽔素ステーション⽤低コスト機器・システム等に関する研究開発 樹脂製ライナー低コスト
複合容器蓄圧器の開発」

図2.4-9複合材製超⾼圧⽔素ガスタンク

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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

ATREX(Expander cycle Air Tubo Ramjet)
Ref. 佐藤他，「宇宙輸送⽤エアブリージングエンジンの研究開発」，第64回宇宙雅楽技術連合講演会，2020年１２⽉．

図2.4-10ATRIUM(Air-Turbo RocketIntegrated Utility Mission)

エアブリージングエンジン

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宇宙旅客輸送推進協議会 第3回シンポジウム 「2040年の社会ニーズに対応する有⼈宇宙輸送サービス構想と必要技術の検討」

図2.4-11

FAA商業宇宙輸送法の翻訳進捗状況

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Thanksfo r yo ur atte ntio n !
l SPACE WALKER Inc.
(https://www.space-walker.co.jp)
l Tokyo University of Science(https://space-systems.me.noda.tus.ac.jp/en/)Winged Experimental Rocket
WIRES#015

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