三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014) 新製品・新技術特集

技 術 論 文71

日本の基幹ロケットへの貢献(2)－ イプシロンロケット試験機打上げ成功 －Contribution to Japan’s Flagship Launch Vehicle - part 2- Successful Launch of the first Epsilon Launch Vehicle -徳 永 建 *1

小 原 亘 彦 *2

Tatsuru Tokunaga

Nobuhiko Kohara

波 光 功 弥 *3

高 井 努 *4

Katsuya Hakoh

Tsutomu Takai

宇 井 恭 一 *5

小 野 哲 也 *6

Kyoichi Ui

Tetsuya Ono

2013 年９月 14 日，イプシロンロケット試験機は(独)宇宙航空研究開発機構（JAXA）内之浦宇宙空間観測所より打ち上げられ，搭載した衛星を無事に軌道に投入して打上げは成功した。当社
は，イプシロンロケット開発において，２段ガスジェット装置の開発・製造と，打上げ設備である発射装置の改修整備に参画しており，本稿ではこれらの開発，整備内容と打上げ結果について紹介する。

|1. はじめにイプシロンロケットは，JAXA によって 2010 年より開発に着手され，機体開発，試験機製造，打上げ関連設備の整備を経て，2013 年に初号機である試験機が内之浦宇宙空間観測所より打ち上げられた。当社は，ロケット本体に搭載される２段ガスジェット装置の開発と，ロケット発射装置の改修整備を通じて，イプシロンロケット初号機の打上げ成功に貢献しており，ここではそれらの開発，整備内容と，打上げ結果について紹介する。

|2. イプシロンロケット開発への取組み
2.1 全般
イプシロンロケットは，JAXA によって，2010 年より開発された３段式固体ロケットを基本形態とするロケットで，2006 年に運用を終了した M-V ロケットの技術を継承し，H-IIA ロケットの技術の活用・共通化が計られ開発が行われた。
また，イプシロンロケットを打ち上げる射場設備は，JAXA 内之浦宇宙空間観測所Ｍ台地にあるＭロケット設備を最大限活用し，既存のＭ型ロケット発射装置やＭ組立室等を改修することによって整備が行われている。当社はこのうち，イプシロンロケットの２段ガスジェット装置（RCS）の開発と，射場設備のＭ型ロケット発射装置の改修整備に参画している。
初号機であるイプシロンロケット試験機は，図１に示すように，第１段から第３段までの固体モータと，小型液体推進系（PBS）により構成され，当社が担当した２段ガスジェット装置（RCS）は，第２段固体モータの後部に２基装着されている（図２）。
また，ロケット全段の組立てと，最終発射位置への移動，打上げは，Ｍ型ロケット発射装置を用いて行われ，当社にて担当した整備塔やランチャが使用されている。内之浦宇宙空間観測所Ｍ台地におけるＭ型ロケット発射装置の外観を図３に示す。
*1 防衛宇宙ドメイン宇宙事業部宇宙システム技術部 主席 P 統括

*2 防衛宇宙ドメイン宇宙事業部宇宙利用推進室*3 防衛宇宙ドメイン宇宙事業部宇宙システム技術部*4 防衛宇宙ドメイン特殊機械部*5 宇宙航空研究開発機構イプシロンロケットプロジェクトチーム 主任開発員 工博*6 宇宙航空研究開発機構イプシロンロケットプロジェクトチーム 開発員

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提供：JAXA

図２ ２段ガスジェット装置(RCS)

提供：JAXA

提供：JAXA

図３ Ｍ型ロケット発射装置の外観

図１ イプシロンロケットの構成

2.2 ２段ガスジェット装置（RCS）の開発(1) ２段 RCS の概要
２段 RCS は，イプシロンロケットの２段固体モータの後部リングに搭載され，ロケット２段飛行フェーズの姿勢制御に使用される姿勢制御装置である。２段 RCS は１基の燃料タンク，６基（試験機では４基）の 23N 級一液式スラスタ，配管，バルブ類，及び支持構造等で構成されたモジ
ュール形態となっており，ロケットのＹ軸（半径方向）の＋側，－側に各１基が搭載される。２段RCS の基本性能を表１に，その配管系統図を図４に示す。
表１ ２段ガスジェット装置の基本性能
諸元
型式

ヒドラジン一液式

推薬供給方式

ブローダウン方式

燃料タンク形状

全金属製球形タンク

使用燃料

ヒドラジン（N2H4）

スラスタ構成

23N 級スラスタ６基（試験機は４基）

質量約 32kg

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図４ ２段ガスジェット装置配管系統図(2) 開発経緯
当社ではこれまで M-V ロケットの３段姿勢制御装置（サイドジェット；SJ）の製造を始め，多くの宇宙機推進系を開発してきた。これまでに蓄積された経験を活かし，以下の開発構想のもと，イプシロンロケットの２段 RCS を開発・製造している。
(a) 一体型ユニットとし，機体内及び継続号機間で互換性を持たせ，運用性を効率化(b) 従来実績のあるコンポーネントの使用による信頼性確保及び低コスト化(c) 調達のボトルネックとなる機器の国産品優先採用(3) 開発課題と結果
これまで開発してきた M-V ロケットの SJ では，海外調達による推薬弁を使用してきたが，納入までに時間，コストがかかることが課題であった。そこで，２段 RCS では，人工衛星用の国産推薬弁をロケット向けに設計変更（単段化及びインタフェース変更）し，採用することとした。国産推薬弁の新規採用に伴って，当社製ジェットモータと組み合わせた状態での機械環境試験を実施し，設計仕様を満足することを確認した。
(4) 製造結果
フライトモデルの製造については，コンポーネントレベル及びサブシステムレベルでの性能・機能確認を行い，射場のある内之浦宇宙空間観測所へ搬入した。射場では，搬入後試験で圧力点検及び性能試験を実施し，良品であることを確認してお客様である JAXA へ納入した。

2.3 発射装置の整備(1) 発射装置概要
イプシロンロケットの機体整備並びに打上げに使用されるＭ型ロケット発射装置は，1982 年に M-3S 型ロケット打上げ用として製造（当社神戸造船所；当時），1995 年 M-V 型ロケット用に改修整備されたもので，これを最大限活用してイプシロンロケット対応用に改修されたものである。大きくは整備塔，ランチャ，煙道，空調装置，アンビリカル装置により構成され，2011 年７月
より改修の基本設計を開始し，2012 年 11 月に現地工事に着手，2013 年 5 月に完成してお客様である JAXA へ納入した。

三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014)74(2) 整備塔
整備塔はランチャ旋回終端に位置し，ランチャを収納して第１段，フェアリングを順次垂直に組み立て，ロケット打上げまでに行う点検・調整作業が可能な機能を有するもので，以下の改修を行った（図５）。
(a) 第１段，フェアリングを吊り上げ，ロケット支持台上に据え付け可能な天井クレーンを新規整備(b) 天井クレーン能力アップに伴う，整備塔構造補強(c) イプシロンロケットの機体内アクセス窓に対応し，点検・調整作業を安全かつ容易に行えるよう，作業床を３階，６階，７階，８階に新規整備
天井クレーンは，従来の M-V ロケットから機体組立て時の吊上げ質量が増加したことに伴い，揚重能力を既存クレーンの 50ton から 100ton に増強し，巻上駆動制御には，低速度でも十分なトルクを発生させることができるインバータと速度検知器を使用したベクトル制御方式を採用することによって，機体組み立て時の巻き下げ速度 0.83mm/s を実現した。これにより，ハイドラセット（手動油圧ジャッキ）を使用せずに第１段，フェアリングへの衝撃を抑えた据え付けが達成できており，簡素化された射場運用を可能としている。
最終的に納入前の現地検証試験において，実機ロケットの形状，質量，重心を模擬したダミーウェイトを使用して，第１段，フェアリングの吊り込み，設置が計画どおりに運用可能であることを確認した。

図５ 整備塔全体外観図(3) ランチャ
ランチャは整備塔と独立した構造で，ロケットを整備塔から旋回して打上げ位置まで移動する機能を有するもので，台車，ロケット支持台，ブーム（アンビリカルマスト）により構成される（図６）。
ロケットを直接据え付けるロケット支持台は，イプシロンロケット全体の荷重を支えるとともに，打上げ時の機体ドリフト量を抑制するために十分な強度と剛性を有する鋼製フレーム構造として，既存台車への取付けを行った。
地上設備とロケット間の空調，電源／信号インタフェース機能を有するブームは，打上直前まではほぼ垂直に直立しているが，打上げ後の機体ドリフト領域と干渉しない位置（ロケットと反対方向）へ退避する必要があるため，既存の俯仰リンク機構の改修を行った。

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図６ ランチャ／煙道全体外観図

ランチャはロケット機体を含めて構造解析モデル化し，以下の解析により，ランチャ強度／剛性，ロケットに対する影響を検討した(図７)。なお，構造解析モデルはランチャ改修後に実施したモーダルサーベイの結果に基づきコリレーションを行っている。
(a) 静解析 … ランチャの剛性，強度を評価(b) 固有振動数解析 … 各モードの固有振動数を評価(c) 地震解析 … 地震時の部材力，変位，応答加速度を評価(d) 耐風特性 … ①定常風による静的応答解析による部材力，変位を評価②カルマン渦による共振風速を評価
地震解析の結果，想定最大震度においてロケットが転倒するケースがあったため，転倒を防止するための機体転倒防止装置をロケット支持台上部に設置した。機体転倒防止装置は，ロケット下端を固定する構造となっており，打上げ直前に開放される。ランチャ，及び機体転倒防止装置は，襲雷等によりロケットを整備塔へ緊急返送する場合に発射管制室から遠隔にて操作可能となるよう制御系の遠隔化改修を行い，発射管制室に遠隔操作監視端末（タッチパネ
ル）の設置を行った。
最終的に納入前の現地検証試験において，実機ロケットの形状，質量，重心を模擬したダミーウェイトをランチャに搭載し，ランチャ旋回，返送の一連の動作が計画どおりに運用可能であることを確認した。

図７ ロケット支持台応力コンター図ロケット支持台の FEM 解析結果の１例を示す。

三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014)76(4) 煙道煙道は，ロケット打上げ時の燃焼ガスを偏向して排出することで，噴煙による電波リンクへの影響，音響環境による衛星及びロケット搭載機器への影響を低減する目的で設置され，ランチャ側煙道と地上側煙道により構成されている。煙道はロケットからのプルーム圧力／温度，オーバープレッシャに対して十分に耐え得る設計としており，ランチャ側煙道は，ロケット支持台フレームの内側を四角く囲む形状に鋼板を取り付けた構造で，ランチャとともに旋回して打上げ位置に配置される。地上側煙道は，JAXA による音響解析及びスケールモデルによる音響試験結果に基づき，音響の拡散を防止するためにトンネル状の鉄筋コンクリート構造として打上げ位置に設置した。ランチャとともに旋回するランチャ側煙道は，打上げ位置にて地上側煙道と重なり合い，ロケット下端から排出口まで一体の煙道形状を形成する（図６及び図８）。
(5) 空調装置
空調設備は，整備塔内の作業／機器環境を良好な状態に維持する機能を有する整備塔空調設備と，第１段，及びフェアリング内の環境を良好な状態に維持する機能を有する１段・頭胴部空調装置がある。
整備塔空調設備は，既存の設備にて運用可能であることから保全を行った上で流用することとした。１段・頭胴部空調装置の空調供給源は，既存の機体用空調装置では機体インタフェース条件に適合しないため，種子島宇宙センターに配備されていたフェアリング空調移動車
No.2 を流用して運用することとした（図９）。

提供：JAXA

提供：JAXA

図８ 煙道外観図

図９ フェアリング空調移動車 No.2 外観図

煙道の外観写真を示す。

フェアリング空調移動車 No.2 の外観写真を示す。

フェアリング移動時においては，Ｍ組立室から整備塔への移動の間，衛星環境維持のためフェアリング空調移動車 No.2 を自走させて空調送風を実施する。フェアリング組み付け後は，フェアリング空調移動車 No.2 を整備塔西側に配置固定し，台車の旋回中心を通過してブームに沿って敷設した１段・頭胴部空調ダクト，アンビリカルダクトを経由して，第１段，及びフェアリングに空調送風を行い，打上げの瞬間まで環境を維持可能な設備とした。
また，１段・頭胴部空調装置は，射点から離れた位置にある発射管制室に設置した監視端末（タッチパネル）から供給温度／湿度，流量の状態監視，設定変更が可能となるよう遠隔操作化改修を行った。
納入前には，フェアリング移動，並びに打上げ時の運用条件での空調送風試験を，実運用と同コンフィギュレーションにて行い，設計どおりの機能を有することを確認した。
(6) アンビリカル装置
アンビリカル装置は，打上げまでの間，機体と設備間を電気的，流体的に結合し，打上げ後は，機体の上昇に合わせて分離，退避する設備である。イプシロンロケットは，傾斜打上方式であった従来の M-V ロケットと異なり，H-IIA/B ロケットと同様の垂直打上方式を採用している。
したがって，イプシロンロケット用のアンビリカル装置には，H-IIA/B ロケットで実績のあるフライ三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014)77

アウェイ方式を最大限活用して，低コスト・短期間での開発を実現した。フライアウェイ方式の概要を図 10 に示す。

図 10 アンビリカル装置フライアウェイ方式の概要
機体の上昇に伴い，アンビリカル装置が機体から分離し，設備側に退避する

イプシロンロケット用のアンビリカル装置は，既設設備の制約により，以下の技術課題があった。
(a) アンビリカル装置が機体から離脱した後の退避距離が短いため，許容される退避後の跳ね返り量が小さい(b) アンビリカル装置が退避した際の，捕獲可能な範囲が制限される
本課題に対して，強制引込装置を新規に開発し，ダミーロケットを用いた確認試験にて，離脱挙動や退避位置，跳ね返り量などの装置の作動が，計画どおりであることを検証した（図 11）。

(C)JAXA/JOE NISHIZAWA

図 11 アンビリカル装置離脱確認試験の状況|3. 初号機打上げ結果
2013 年９月 14 日 14 時 00 分，イプシロンロケット試験機は JAXA 内之浦宇宙空間観測所より打ち上げられ，無事，衛星を所定の軌道に投入して成功に終わった。
打上げに際し，発射位置までの機体旋回移動，リフトオフまでの機体把持と機体への電力，空調供給が発射装置によって行われ，打上げ後の２段飛行フェーズにおいては，機体姿勢の安定を図るための姿勢制御が，２段 RCS によって良好に行われた。

3.1 ２段ガスジェット装置(RCS)
イプシロンロケット試験機のフライトデータから，２段 RCS の動作状況は以下のとおりであり，正常に動作したと評価できている。

三菱重工技報 Vol.51 No.1 (2014)78(a) 打上げ前から運用終了後の２段／３段分離まで，所定の圧力，温度範囲で推移した。
(b) 圧力変化やスラスタの作動状況から，推薬弁が正常に作動し，ロケット２段飛行フェーズの姿勢制御が正常に行われた。

3.2 発射装置運用
発射装置の運用に当たっては，１段／頭胴部結合設備運用（フェアリング移動）と発射整備作業（Y-5～Y+1）の手順書を整備し，ランチャ班とアンビリカル班の二手に分かれて作業を実施した。ランチャ班は整備塔，ランチャ，１段・頭胴部空調装置，電気設備の運用に係る作業を担当し，アンビリカル班は１段系，フェアリング系のアンビリカル設備の運用に係る作業を担当した。
打上げまでのオペレーション内容は図 12 のとおりであるが，二度の打上げ延期，及びリハーサル実施によって，打上げ当日の Y-0 運用に関しては十分に習熟した状態で作業に臨むことができた。

図 12 打上げまでのオペレーションフロー図
１段射座据付から打上げ後点検までのオペレーションフローを示す。

打上げ当日（Y-0）は，ランチャ旋回準備からランチャ旋回，ブーム退避，機体転倒防止装置解除までの動作，打上げ時のフェアリング系アンビリカルキャリアの離脱挙動は良好であり，不適合の発生はなく，計画どおりの運用時間で作業を実施し，イプシロンロケットの打上げ成功に貢献することができた（図 13）。

提供：JAXA

図 13 ランチャ旋回状況図

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また，射点周りでは，JAXA によって打上げ時音響計測が行われており，機体への音響環境は事前予測範囲内で，搭載衛星とのインタフェース上，問題となる影響はなく，敷設された煙道が良好に機能していることが確認されている（図 14）。
打上げ後には発射装置各部位の点検を行い，設備の損傷状況を確認した。損傷は，設計時の想定の範囲を超えた状況のものもあったが，試験機打上げ状況を踏まえて次号機に向けた修理，再整備，改善設計を詳細検討することとしている。
また，運用を通じて抽出した機器の信頼性，作業性，安全性，運用性の向上／改善点についても次号機に向けて確実に反映し，お客様に更なる安心感を得ていただけるよう取り組んでいく計画である。

図 14 試験機打上げ時の外部音響計測結果
外部音響規定値に対する計測結果（包絡値）を示す。

|4. まとめ
イプシロンロケットにおける２段ガスジェット装置の開発と，発射装置の改修整備内容について紹介した。試験機における運用では，初号機にもかかわらずいずれにおいても大きな問題はな
く，無事，打上げ成功に貢献することができた。これらの運用を通じて得られた反映事項や改善事項は，次号機に向けて検討を行い，イプシロンロケットを含む我が国の輸送システムの革新を，引き続き支援していくものである。