二段式宇宙輸送機

二段式宇宙輸送機（TSTO）とは

二段式宇宙輸送機（Two-Stage-to-Orbit、略称TSTO）は、人工衛星などが周回する軌道へ到達するために、機体を二つの段階に分けて構成する宇宙輸送システムを指します。一般的なロケットの多くも、複数の段を切り離しながら加速する多段式ですが、このTSTOという言葉は、通常、一段のみで軌道を目指す単段式宇宙輸送機（SSTO）との対比において使われることが多く、特に再使用可能な設計を目指したシステムを指す傾向があります。本稿では、主にこの再使用型または部分再使用型のTSTOについて詳しく解説します。ちなみに、三つの段階を用いるシステムはThree-Stage-to-Orbitと呼ばれます。

SSTOとの比較と利点

単段式宇宙輸送機（SSTO）は、一台の機体だけで地上から軌道まで到達し、さらに帰還を目指すという、極めて高い技術的要求を伴います。これに対し、TSTOはシステム全体を二段構成にすることで、この技術的な困難さを和らげることを目的とした概念です。ロケットの原理として、各段が獲得する速度を合計することで最終的な速度が得られます。使い捨て式のロケットがほとんど多段式であることからも分かるように、再使用や地球への帰還に必要な装備を全て一台に詰め込むSSTOは、もともと非常に高いハードルでした。そのため、まず二段式の再使用型宇宙輸送機を開発しようという考えが自然に生まれました。

TSTO方式にはいくつかの利点があります。

まず、軌道速度に到達するために必要な速度増加分を二つの機体に分散させられるため、それぞれの機体にかかる構造的な負荷や、推進剤の効率性に関する要求が緩和されます。

次に、下段機体は軌道速度に達せず、地球の大気圏に高速で再突入することもないため、それに耐えるための高度な耐熱構造などの装備を省略または簡略化できます。

さらに、大気圏内で効率の良いエンジンを下段に、宇宙空間で性能を発揮するエンジンを上段に搭載することで、それぞれの飛行フェーズに最適なエンジンを選択でき、不要なエンジンをデッドウェイトとして宇宙まで運ぶ無駄を省けます。

運用上の課題

一方で、TSTO方式にもいくつかの欠点があります。

システムが二つの独立した機体で構成されるため、それぞれの機体の整備や準備に手間がかかり、全体としての運用工数が増加する可能性があります。

打ち上げ準備段階では、二つの機体を地上または空中で正確に結合させる作業が必要となり、これも運用上の複雑さを増す要因となります。

下段機体は軌道に乗らないため、離陸地点から遠く離れた場所に落下・着陸するように飛行計画を立てた場合、その機体を回収して発射地点まで戻すための手間やコストが発生します。

下段の種類

TSTOシステムにおける下段機体には、いくつかの異なるタイプが構想または実用化されています。

ロケット

下段として再使用可能なロケットを用いる構成は、スペースX社のファルコン9ロケットで実用化されています。2017年の32号機以降、下段ブースターが逆噴射によって減速し、地上へ垂直着陸する方式が成功しています。ファルコン9を複数束ねた大型ロケットであるファルコンヘビーでも同様の手法が採用されています。

ファルコン9以前の例としては、アメリカのスペースシャトルもこの形態に近いと言えます。シャトルでは、機体の両脇にある二本の固体ロケットブースター（SRB）を下段、メインエンジン（SSME）を搭載したオービタを上段と見なすことができます。SRBはパラシュートで海上に着水し、回収されて再使用されました。ただし、スペースシャトルシステムでは、巨大な外部燃料タンク（ET）が使い捨てだったため、完全な再使用は実現していませんでした。

液体燃料ロケットを下段として使用することで、より大きな速度を低高度で獲得できれば、上段に必要な加速量が減り、技術的な難易度を下げることが可能です。液体燃料は再充填が比較的容易なため、再発進に必要な時間も短縮できます。このため、スペースシャトルの後継機として、上下段ともに水平着陸または垂直着陸を目指す再使用可能な液体燃料ロケットシステムがNASAで検討されたこともあります。また、異なる種類の推進剤を段階的に使用する三液推進系のエンジン（RD-701など）も、効率向上を目指して研究されていました。

既存ジェット機

大型の航空機に上段のロケットやスペースプレーンを搭載し、高高度で分離・発射する方式です。下段となる既存ジェット機は通常亜音速機であるため、達成できる高度や速度には限界があり、結果として上段にはSSTOに近い高い性能が要求される傾向があります。過去には、イギリスのSSTO構想HOTOLの開発難度を下げるために、大型輸送機An-225から空中発射するTSTO案（暫定HOTOL）が検討されましたが、計画自体が中止されました。旧ソ連でも同様のMAKSスペースプレーン構想がありました。

この方式の利点は、下段機体が通常のジェット機として運用できるため、通常の空港から離陸できる可能性がある点です。現在では、上段に小型の使い捨てロケットを用いて、小型衛星を低コストで打ち上げるシステムとして実用化が進められています。

極超音速飛行機

高い速度を獲得できる極超音速飛行機を下段として開発し、その上で上段機体を加速する方式です。下段が既に非常に高速であるため、上段が必要とする追加の加速量は少なくて済みます。この構成は、SSTOが抱える複数のエンジンを効率的に切り替えるという問題に対し、下段にスクラムジェットなどの超音速燃焼エンジン、上段にロケットエンジンを搭載する「二段式スペースプレーン」として構想されることもあります。

西ドイツ時代に構想されたゼンガーIIがこの代表例です。ゼンガーIIの下段に必要な技術開発のため、スクラムジェットエンジン搭載機の開発が行われましたが、ドイツ統一による予算削減などで中止されました。仮に計画が継続されていたとしても、スクラムジェットエンジンの技術的なハードルが高く、20世紀中の試験機開発は困難だったと考えられています。

ヘリコプター型

多くのTSTO構想における下段は、垂直離着陸（VTOL）または垂直離陸・水平着陸（VTOHL）可能な機体として設計されています。DC-Xのような機体はVTOL運用を目指していましたが、DH-1などの構想では、機体を垂直に打ち上げた後、ある程度の高度で分離し、下段は射場へ戻る「ポップアップ／ポップダウン」アプローチが提案されていました。DH-1の提案では、上段は実質的に「ほぼSSTO」に近い設計で、高い効率性と信頼性を目指していました。

上段の種類

TSTOシステムにおける上段機体も、再使用が検討されています。

ロケット

下段ロケットの再使用に成功したスペースXは、ファルコン9の上段についても、下段と同様に逆噴射による垂直着陸での再使用コンセプトを発表しています。しかし、上段は下段よりもはるかに高い速度と厳しい熱環境に晒されるため、技術的な難易度が非常に高く、さらに逆噴射に必要な燃料がペイロード能力に与える影響も大きいため、2018年時点では実用化の目途は立っていませんでした。しかし、スペースXはより大型の二段式ロケットであるスターシップにおいて、引き続き上段の完全再使用を目指し開発を進めています。

フライバックブースター

TSTOシステムにおいて、上段を使い捨てロケットとし、下段のみを再使用する構成の場合、この再使用可能な下段を特に「フライバックブースター」と呼びます。フライバックブースターは軌道速度に達しないため、大気圏再突入時の速度が比較的遅く、必要な耐熱対策などが上段に比べて容易であるため、開発のハードルが低いという利点があります。上段には既存の使い捨てロケットを流用することで、開発費用を抑えることも可能です。

フライバックブースターには、発射地点の近くまで戻ってきて水平着陸または垂直着陸が可能な本格的なものも構想されており、前述のファルコン9の下段ブースターはこの概念に該当します。一方で、使い捨ての下段を少し強化し、パラシュートなどで回収する簡素な構想もありました。スペースシャトルの固体ロケットブースター（SRB）はこのタイプですが、固体燃料ロケットのため再使用に相応の費用がかかり、経済的なメリットは限定的だったとされています。

その他、ロシアなどでは、ロケットエンジンとターボジェットエンジンの双方を搭載し、上段分離後に自律飛行で水平着陸可能なフライバックブースターの検討も行われたことがあります。

日本における構想

日本の宇宙航空研究開発機構（JAXA）およびその前身組織では、かつてSSTOの基礎研究が行われており、その中で培われた技術はTSTOの基礎技術とも共通する部分がありました。これらの研究を発展させる形で、JAXAはTSTOの構想を発表しています。

この構想では、まずHOPE-Xを大型化したようなロケットエンジンと推進剤を搭載した機体を開発します。この機体は、かつてNASDA（宇宙開発事業団）で検討されたロケットプレーンに類似しており、単体では軌道速度には達しませんが、技術実験機としてだけでなく、使い捨てロケットを搭載して小型衛星を打ち上げたり、弾道飛行による宇宙観光に使用することも想定されています。

次に、ジェットエンジンを搭載した極超音速飛行機を開発します。この機体に搭載されるエンジンはATREX（エアターボ式ロケット実験）と呼ばれ、大気から取り込んだ空気を液体水素で冷却し、ターボジェットエンジンとして利用するものです。この方式はスクラムジェットとは異なり、最高速度はマッハ5程度に留まります。このATREX搭載機に前述のロケットプレーン型機を背負い式に搭載し、高高度で空中発射することで、二段式スペースプレーンを実現するというのが構想の全体像です。

この構想の実現にはATREXエンジンの実用化が鍵となりますが、エンジンを搭載した最初の実験機の開発は2015年前後が目標とされており、TSTOシステム全体の開発はその後になると考えられています。

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