H3ロケットに学ぶ―柔軟性と高信頼性、徹底的な低コスト化の両立手法と競争力
2024年2月17日、JAXA種子島宇宙センターからH3ロケット試験機2号機が打ち上げられ、計画通りに飛行して2基の小型副衛星を軌道に届けることに成功しました。近年、世界の数多の企業が宇宙事業に関わるようになり、H3ロケットには日本の宇宙事業の発展において大きな期待と注目が寄せられています。
この記事では、H3ロケットの概要や機体構成とその形態、打ち上げ能力などについて紹介します。また、国際的な宇宙ビジネスにおける需要の変化や競争激化を背景に、H3ロケットがどのようにして柔軟性と高信頼性、低コスト化を実現したか、そして低コスト化に村田製作所（以下、ムラタ）の電子部品がどのように寄与したのかについて解説します。
近年の国際競争においては、宇宙事業に限らずさまざまなモノづくりやビジネスにおいても、類似した課題に直面することは少なくありません。H3ロケットでは、この難しい課題をどのようにクリアしたのか。その一貫した姿勢や考え方、取り組みには、当サイトの読者の皆様の業務においても、何らかのヒントや気づきとなる要素があるかもしれません。
INDEX
1. H3ロケットとは
はじめに、H3ロケットの概要や機体の構成・形態、打ち上げ能力の例などについて解説します。
H3ロケットの概要
「H3ロケット（H3 Launch Vehicle）」は、三菱重工業株式会社（以下、三菱重工）と宇宙航空研究開発機構（JAXA）が、共同で*1開発した次世代のロケットです。H3ロケットの全長は約63m*2とサッカーコートの横幅（64m）に近い長さで直径は約5.2mと、液体酸素/液体水素ロケットにおいて大型です。
従来運用されてきたH-IIAロケットは、高い信頼性を特長としていた反面、打ち上げ能力やコストなどに課題がありました。
そこで、H3ロケットはこれらの課題を解決すべく、柔軟性・高信頼性・低価格の3つの要素を兼ね備えた「使いやすいロケット」を目標としました。それにより、日本における宇宙への輸送手段の自立性を維持すると同時に、商業衛星の打ち上げ市場において国際競争力の強化による産業基盤の維持・強化を図ろうとしています。
*1 三菱重工は、H3ロケットの開発と打ち上げ輸送サービスを担うプライムコントラクタとして2014年にJAXAから選定され、機体開発を取りまとめている。
*2 全長約63mはフェアリングがL（ロング）の場合。フェアリングとは、H3ロケットの上部に位置し、打ち上げる人工衛星などを格納する部位。なお、フェアリングがS（ショート）の場合、全長約57mとなる。
H3ロケットの構成と形態、打ち上げ能力
H3ロケットは、機体設計を共通化した下記の部位で機体形態を構成します。
- 第1段メインエンジン「LE-9」の基数（2・3基）
- 固体ロケットブースター「SRB-3」の本数（0・2・4基）
- フェアリングのサイズ（L：ロング・S：ショート）
これらを組み替えることによって多種多様な大きさ・質量の衛星の打ち上げミッションに柔軟に対応できることが、H3ロケットの大きな特長です。
H3ロケットの機体形態は上記の組み合わせで表されます。
たとえば、「H3-30S」は、LE-9が3基、SRB-3は0（搭載なし）、フェアリングはS（ショート）であることを示します。最小形態とされているH3-30Sは、太陽同期軌道（500km×500km）に4t以上もの質量を打ち上げる能力を持ちます。
また、静止軌道への打ち上げや、より大型の衛星の打ち上げには「H3-22L」、H-IIAよりも打ち上げ能力が高く質量6t級の大型の静止衛星や小型衛星を複数機まとめて打ち上げることができる「H3-24L」の使用が想定されています。
このように、H3ロケットは、小さな衛星から大きな衛星まで、さまざまな軌道へ向けて最適な形態とコストで柔軟な打ち上げを可能とします。
2. 求められる国際競争力―H3ロケット開発の背景
柔軟性と信頼性が高く、低コストを目指したH3ロケット開発の背景にあった、世界のロケット打ち上げ価格の競争激化や需要の変化といった国際的な競争の一部を解説します。
ロケット打ち上げにおける価格競争の激化
いま世界では、より価格競争力のある安価なロケットが求められています。
H-IIロケットよりも低コスト化したH-IIAロケットは、国内外の民間の衛星会社などから受注する商業打ち上げ市場にも参入していました。
しかし、2010年代以降、世界では米国や欧州などの企業による宇宙事業参入に伴い、低価格かつ柔軟性が高いといった特長を持つ新しいロケットが続々と登場し、従来の日本のロケットは苦戦を強いられるようになりました。
近年は、米国の大手企業が従来の半額近い低コスト化を目指したロケットで、商業打ち上げへの新規参入を計画しています。また、各国のベンチャー企業においても新しい小型・中型ロケットの開発が活発化しており、小型衛星の打ち上げ市場において競合相手となり得る存在といえます。
衛星の打ち上げ需要の変化とコストの課題
近年は、より大きな衛星の需要のほか、小型の衛星を何十機もまとめて打ち上げる需要も高まっており、より大きな質量、サイズの衛星をより低コストで打ち上げられるロケットが求められるようになりました。
通信の大容量化や、電気推進による衛星の長寿命化などにより、静止衛星の寸法や質量は従来よりも増加し、7～8tの静止衛星が打ち上げられることもあります（H-IIAロケットの静止トランスファー軌道への打ち上げ能力は最大約6t）。
特に通信・放送衛星では、性能向上を目的にこれまでより大きなアンテナを持つ衛星を搭載できる大きなフェアリングを持ったロケットが求められています。また、多数の小型衛星をまとめて打ち上げ、編隊運用する「衛星コンステレーション」に対応する専用搭載構造（ディスペンサー）の需要も今後増加することが見込まれます。
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こうした要求に応える大きなロケットは、打ち上げコストが高くなります。その一方で、価格競争の観点からコストを抑える必要に迫られることとなります。
「従来よりも大質量の衛星を従来よりも低コストで打ち上げる」。この矛盾した要求に応える必要性が、H3ロケット開発の背景にはありました。
3. H3ロケットが挑んだ、コストダウンへの取り組み
これまで述べたように、H3ロケットは価格競争や需要の変化などを背景に、「柔軟性」、「高信頼性」、「低価格」の3つの要素を兼ね備え、世界の市場要求に応えるロケットを目指して開発されました。ここでは、さまざまな衛星の運搬性能の向上と同時に要求され、厳しい課題といえる「コストダウン」を軸に、H3ロケットの機体に関する主な取り組みについて、ムラタ製の部品が導入されることとなった背景も含めて紹介します。
徹底したコストダウンをすべての段階で実施
H3ロケットは、徹底したコストダウンを目指し、構想・開発・運用のすべての段階でいかにしてコストを抑えるかが意識されました。各段階において、下記のように一貫した取り組みが行われました。
- 構想段階
低コスト化実現のコンセプトのもと、各コンポーネント（部品）対する価格要求を明確化。サプライチェーン（材料・部品の調達から、製造、在庫管理、配送、販売、消費までの一連の流れ）のすべてにおいて、どのようなコストダウンが可能かを突き詰めて検討しました。 - 開発段階
設計段階で低コスト仕様を採用、技術開発すると同時に、製造方法の工夫によるコスト低減も推進。設計審査でもコスト評価を行い、構想時のコンセプトで定めたコストを達成できるように進められました。 - 運用段階
ロケットとその構成部品の量産・まとめ手配、そして継続的な効率化・改善活動により、徹底したコストダウンを図る計画のもと運営されています。
3D造形によるLE-9の部品点数とコストの削減
たとえば、H3ロケットの第1段メインエンジンであり、H-IIAのメインエンジンLE-7Aよりも推進力が大きいLE-9には、第2段エンジンで独自技術を蓄積してきたエキスパンダー・ブリード・サイクル*3が、初めて第1段エンジン向けの大推力エンジンとして採用されました。
LE-9では、3Dプリンターを用いた3D造形（Additive Manufacturing）で製造した部品を使うことで、従来のLE-7Aよりも部品点数をコンポーネントレベルで2割ほど削減しました。また、従来の噴射器は、複数の部品を機械加工で500本分製造してそれらを接合してから本体に付ける構造であったため、加工と組み立てに多くの手間がかかりました。一方、LE-9では、3Dプリンターでコアとなる部分を一体造形することにより、全体コストの50%以上を削減しました。
*3 LE-9で採用されたエキスパンダー・ブリード・サイクルは、燃料である液体水素を燃焼室やノズルの冷却に使うと同時に、ガス化させて温度を上げ、そのガスでエンジンの駆動源となるターボポンプを動かすという、シンプルな仕組みである。効率は二段燃焼サイクルほど高くはないものの、プリバーナーがいらないなど構造の単純化とエンジン全体のパーツ数削減を実現する。また、推進薬の漏洩やターボポンプの異常時などに全系がパワーダウンしてカタストロフィックな状態に至りにくい本質安全性を有し、異常な燃焼状態になりにくいといった特長があり、高信頼性と低価格を高いレベルで両立させることができる。
SRB-3の結合箇所とコストの削減
H-IIA/Bロケットでは、第1段機体と固体ロケットブースター「SRB-A」の結合方法が複雑で、結合箇所や結合に使う部品が非常に多いことが課題でした。
そこでH3ロケットの固体ロケットブースターSRB-3では、第1段機体との結合・分離方法を見直し、新しくシンプルな方式を採用しました。
従来は米国のモータを基に設計していたモータ・ケースを国産化できるようになったことで、設計の自在性が向上し、ロケットブースターに最適な仕組みを採り入れ、シンプルな結合・分離機構が実現しました。
これにより、結合や分離に使う部品を大幅に削減。軽量化によって性能が向上し、コストダウンにも寄与しています。
タクト生産による効率化・短期化・低コスト化
H-IIAロケットでは、受注後に製造する、受注一品生産型と呼ばれる形式で生産されていました。
一方、H3ロケットでは、部品取り付けや組み立て、点検/出荷の時間を均等化し、自動車や航空機といった一般工業製品のライン生産に近い製造形態をとりました。
特に、ロケットを4つのセグメントに分ける「タクト生産」で、それぞれ移動と加工が同期して繰り返す生産方式を採用し、製造の効率化と期間短縮、そして低コスト化を図りました。
非宇宙用部品の導入による大幅なコストダウン
従来のロケットのバルブやセンサ、電気・電子機器は、一般的な部品とは別に宇宙用に開発されたものが使用されてきました。こうした宇宙用部品は特殊な仕様で、生産個数も少ないため非常に高価であり、コストダウンという目標においては、ボトルネックのひとつとなっていました。
そこで、H3ロケットでは、宇宙用ではない部品を適用することになりました。全数の約90%に、信頼性が高く安価な非宇宙用部品を導入することにより、宇宙用部品使用時に比べて大幅なコストダウンが実現し、信頼性の向上と低コスト化の両立に大きな効果を与えました。
非宇宙用部品の適用においては、放射線試験による耐性評価を踏まえ、適用可能な部品種が選定されました。また、部品選定基準や安全基準に関連するため、適用にあたる評価もJAXAと民間企業が連携して推進しました。
なお、H3ロケットには、ムラタ製の非宇宙用部品も採用されており、各民間企業の技術力と徹底した品質管理による高い信頼性、そして効率的な生産による低価格化の両立に貢献しています。