観測ロケット

ワロップス飛行場から打ち上げられるブラック・ブラントXII

観測ロケットまたはロケットゾンデは、研究ロケットまたは弾道ロケットとも呼ばれ、弾道飛行中に測定や科学実験を行うために設計された機器搭載ロケットです。このロケットは、地表から50～150 km（30～90 mi） [ 1 ]の高さから機器を打ち上げるのによく使用されます。この高度は、一般的に気象観測気球と人工衛星の中間の高度です。気球の最大高度は約40 km（25 mi）、人工衛星の最小高度は約120 km（75 mi）です。[ 2 ]

観測ロケットは、弾道飛行を前提としているため、軌道飛行用に作られたロケットに比べて構造がはるかに単純であることが多い。[ 2 ]ブラックブラントXやXIIのように、一部の観測ロケットは1,000～1,500 km（600～900マイル）の高度で遠地点に到達する。観測ロケットは高度3,000 km（2,000マイル）まで飛行し、約40分間の観測時間を確保して、磁気圏、電離圏、熱圏、中間圏の地球物理学的観測を行う。[ 3 ]

語源

この用語の語源は、航海用語の「sound（測深）」に由来します。soundとは、船から重り付きの釣り糸を水中に投げ込み、水深を測ることを意味します。この用語自体の語源は、ロマンス語の「 probe（探査）」に由来し、名詞の「sonda」や「sonde」、動詞の「 sondar」（調査や世論調査を行う）などがあります。ロケットにおける「 sounding（測深）」は「測定を行う」という意味です。 [ 4 ]

デザイン

探査ロケットのサンプルペイロード

現代の観測ロケットの基本要素は、固体燃料ロケットモーターと科学ペイロードである。[ 4 ]一部の観測ロケットでは、ペイロードはナイキ・スモークのように煙の跡だけになることもある。これは、気象観測気球よりも正確に風向と風速を測定するために使用される。ナイキ・アパッチのような観測ロケットは、非常に高い高度の風を観測するためにナトリウム雲を投下することがある。より大型で高高度のロケットは、高度とペイロードの能力を高めるために 多段式になっている。

探査ロケットの飛行はいくつかの段階に分かれている。ブースト段階では、ロケットは燃料を燃焼させてほぼ垂直に上向きに加速する。エンジンが燃料を使い果たすと、ロケットは下降し、ペイロードが弾道軌道に沿って惰性で飛行できるようにする。ロケットの軌道はほぼ放物線状で、高高度では重力とわずかな風の抵抗しか受けない。飛行の最高点である遠地点付近で速度が低下するため、ペイロードはこの地点付近に数分間留まることができる。[ 2 ]最後に、ロケットは下降し、小型気球やパラシュートなどの抗力源を展開することもある。[ 4 ]平均飛行時間は30分未満で、通常は5分から20分である。[ 2 ]

探測ロケットは、第一段として気球、航空機、大砲などを用いている。ファーサイド計画[ 5 ] [ 6 ]では、106,188立方メートル（3,750,000立方フィート）の気球からなるロックーン[ 7 ]を使用し、4段式ロケットを吊り上げた。スパロエアは海軍のF4D戦闘機およびF-4戦闘機から空中発射された。探測ロケットは、HARP計画の5インチ、7インチ、15インチ（130、180、380 mm）砲などの砲兵砲からも発射可能であり、場合によっては追加のロケット段が備えられている。[ 8 ]

開発の歴史

初期の探測ロケットは、 WACコーポラル、エアロビー、バイキングなど、液体燃料を使用していました。ドイツのV-2ロケットは、第二次世界大戦直後、アメリカとソ連の両国で使用されました。1950年代からは、ナイキ、タロス、テリア、スパローなどに使用されていた安価な軍用余剰ブースターが使用されるようになりました。1960年代以降、ブラック・ブラントなど、ほとんどの探測ロケットは探測目的のために特別に設計されています。

観測ロケット開発の最も初期の試みはソビエト連邦で行われました。初期のロケット開発者は皆、ロケット打ち上げ能力の開発に関心を持っていましたが、中には大気圏の調査を目的とする者もいました。第1回全ソ連成圏研究会議は1934年にレニングラード（現在のサンクトペテルブルク）で開催されました。[ 9 ]この会議では主に気球ラジオゾンデが取り上げられましたが、上層大気の探査を目的とした「記録ロケット」の開発を目指す少数のロケット開発者グループもいました。[ 10 ]後にソビエト宇宙計画の指導者となるセルゲイ・コロリョフは、プレゼンテーションの中で「上層大気を調査するための高高度ロケット用科学機器の開発」を訴えました。[ 11 ]

レニングラード・ジェット推進研究グループのVV・ラズモフは、観測ロケットの設計に特に興味を持っていました。モスクワのソ連防衛・航空・化学建設支援協会内の特別グループで働いていたA・I・ポリャールヌイは、R-06を設計しました。R-06は最終的に飛行しましたが、気象観測の役割は果たしませんでした。[ 10 ]

ソ連の初期の観測ロケット開発の努力は、第二次世界大戦前に最終的に失敗に終わった。[ 10 ]イワノフ大尉は3段式ロケットを製作し、1946年3月に飛行した。1946年夏の終わりに、研究用ペイロードを打ち上げるのに十分な推力がなかったため、開発は中止された。[ 10 ]

最初の成功した観測ロケットはカリフォルニア工科大学で開発されました。第二次世界大戦前、そこにはセオドア・フォン・カルマンの指揮の下、フランク・マリナが率いるロケット愛好家のグループがあり、「スーサイド・スクワッド」として知られていました。彼らの当面の目標は上層大気の探査であり、そのためには機器を高高度に打ち上げ、その成果を回収する手段の開発が必要でした。第二次世界大戦の勃発後、ロケット愛好家たちは数々の防衛計画に携わるようになり、その一つが誘導ミサイル「コーポラル」の開発でした。後にMGM-5コーポラルとして知られるこのミサイルは、アメリカ陸軍が初めて配備した誘導ミサイルとなりました。

第二次世界大戦中、通信部隊は、11キログラム（25ポンド）の機器を30キロメートル（10万フィート）以上まで運ぶための探測ロケットの要件を定めた。[ 12 ]この目標を達成するため、マリナはコーポラルミサイルの開発に必要な経験を得るため、小型の液体燃料ロケットを提案した。 [ 13 ] [ 14 ]マリナは、賽雪神（ピンイン音訳では銭学森）と共に「連続インパルスによる推進を特に考慮した探測ロケットの飛行解析」を執筆した。通信部隊のロケットはコーポラル計画のために開発されていたため、誘導機構が全くなかった。そのため、 「姿勢制御なし」という意味でWACコーポラルと名付けられた。WACコーポラルは、米国における探測ロケット研究の基礎となった。WACコーポラルは2つのバージョンが開発され、後者は大幅に改良された。戦後、WACコーポラルは、アメリカ陸軍が試験中だった、鹵獲したはるかに大型のV-2ロケットと、サウンディングミッションの資金を巡って競争を繰り広げました。WACコーポラルは、実験機を費用対効果の高い方法で高高度まで打ち上げるという任務において影に隠れ、事実上時代遅れとなりました。WACコーポラルは後に改造され、最初の二段式ロケットであるRTV-G-4バンパーの上段ロケットとなりました。

鹵獲されたV-2は1940年代後半、アメリカの観測ロケットやその他のロケット開発の主流となった。[ 15 ]エアロビーは、応用物理学研究所と海軍研究所の要件を満たすためにエアロジェット社によって開発された。1947年から1985年の間に1,000機以上のエアロビーが飛行した。[ 16 ] : 57 [ 17 ]エアロビー用に製造されたエンジンの1つは、最終的に、最初の専用衛星打ち上げ機であるヴァンガードロケットの2段目に動力を与えた。多くのエアロビーで使用されたAJ10エンジンは、最終的にスペースシャトルの軌道操縦システムを形成するAJ10-190へと進化した。 [ 18 ]

バイキングロケットは、アメリカ海軍によってV-2ロケットの代替としてだけでなく、誘導ミサイル技術の進歩を目的として設計された。[ 19 ]バイキングは、ジンバル付きXLR10-RM-2エンジンを搭載した多軸誘導システムによって制御された。バイキングは2つの主要なバージョンを経て開発された。アメリカ合衆国が国際地球観測年（1957～1958年）に衛星を打ち上げる意向を発表した後、バイキングはヴァンガード衛星打ち上げ機の第一段として選ばれた。最後の2機のバイキングは、ヴァンガード試験機1号と2号として打ち上げられた。[ 20 ]

第二次世界大戦後、ソ連もV-2ロケットをベースとした観測ロケットの開発を進めました。最後の2機のR-1Aは1949年に観測ロケットとして飛行しました。その後、1951年7月から1956年6月にかけて、R-1Bが4機、R-1Vが2機、R-1Dが3機、R-1Eが5機、そしてR-1E (A-1)が1機開発されました。[ 21 ]改良されたV-2の後継機であるR-2Aは高度190km（120マイル）に到達でき、1957年4月から1962年5月まで飛行した。[ 22 ] 1965年6月から1983年10月にかけて15機のR-5Vが飛行した。2機のR-5VAOは1964年9月と1965年10月に飛行した。[ 23 ] 最初の固体燃料ソ連の観測ロケットはM-100であった。[ 24 ] 1957年から1990年にかけて約6640機のM-100観測ロケットが飛行した。

観測ロケットを初期に使用した他の国としては、イギリス、フランス、日本などがある。

イギリスは国際地球観測年に向けてスカイラークシリーズとトウゾクカモメを開発した。[ 16 ]

フランスはスーパーV-2の設計を開始したが、必要な部品を全て製造できなかったため、1940年代後半に計画は中止された。ヴェロニックの開発は1949年に開始されたが、最初のフルスケールのヴェロニックが打ち上げられたのは1952年になってからだった。ヴェロニックの派生型は1974年まで飛行した。[ 16 ] [ 25 ]モニカ系列はすべて固体燃料で、複数のバージョンが製造された。これらは後にONERAシリーズに置き換えられた。[ 16 ]

日本はカッパロケットを使用し、またロックーンの開発も進めた。[ 16 ]

中華人民共和国は、新型液体燃料探査ロケットT-7を打ち上げた最後の国であった。[ 26 ]初発射は非常に原始的な発射場で行われ、「司令部」と借り物の発電機は、発射台から小川を挟んだ草葺き小屋の中にあった。司令部とロケット発射台の間には通信設備はなく、電話さえなかった。T-7は、T-7M、T-7A、T-7A-S、T-7A-S2、そしてT-7/GF-01Aへと発展した。T-7/GF-01Aは1969年にFSW衛星技術開発ミッションの打ち上げに使用された。こうしてI-7は、中国初の衛星である東方紅1号（東方紅1号）の成功に繋がり、東方紅1号はDF-1ロケットによって打ち上げられた。銭学森（ウェイド・ガイルズ式音訳では詹雪神）は、中国のロケット工学の発展と東風1号の開発に不可欠な存在でした。彼はセオドア・フォン・カルマンやカリフォルニア工科大学の「スーサイド・スクワッド」と協力し、世界初の成功した観測ロケットであるWACコーポラルを開発しました。

1960 年代初頭までに、観測ロケットは確立された技術とみなされました。

利点

観測ロケットは、低コスト（多くの場合、軍の余剰ロケットモーターを使用）[ 4 ] [ 2 ] 、比較的短いリードタイム（時には6ヶ月未満）[ 4 ] 、そして気球や衛星ではアクセスできない地域での研究を行うことができるという利点があるため、一部の研究には有利です。また、より高価でリスクの高い軌道上宇宙飛行ミッションで使用される機器のテストベッドとしても使用されます。[ 2 ]また、観測ロケットは小型であるため、一時的な場所からの打ち上げが可能になり、遠隔地でのフィールド調査や、船舶から発射すれば海上での調査も可能です。[ 27 ]

観測ロケットは、衝撃波が大気圏を通過する様子を観測することで、大気圏内核実験の調査に利用されてきた。[ 28 ] [ 29 ]近年では、観測ロケットは他の核兵器研究にも利用されている。[ 30 ]

アプリケーション

気象学

ホワイトサンズミサイル実験場のロケットガーデンに展示されているロキ・ダート（前景）

高度75km（50マイル）までの気象観測は、ロケットゾンデ（大気観測用の探測ロケットの一種で、ロケットとラジオゾンデで構成されています）によって行われます。ゾンデは飛行中に、気温、湿度、風速と風向、風速シアー、気圧、空気密度のデータを記録します。位置データ（高度と緯度・経度）も記録されることがあります。

一般的な気象ロケットには、ロキとスーパーロキがあります。これらは通常、高さ3.7メートル（12フィート）で、直径10センチメートル（3.9インチ）の固体燃料ロケットモーターで駆動されます。ロケットモーターは高度1,500メートル（4,900フィート）で分離し、残りのロケットゾンデは最高点（アポジ）まで惰性で飛行します。高度20～113キロメートル（12～70マイル）まで打ち上げることができます。

研究

観測ロケットは主に以下の目的で使用されます。

二重使用

弾道ミサイル技術の軍事的関連性が高いため、探測ロケットと軍用ミサイルの間には常に密接な関係がある。これは民生・軍事の両方に使用できる典型的なデュアルユース技術である。 [ 32 ]冷戦中、ドイツ連邦共和国はこの問題に関して、当時核兵器不拡散条約に署名していなかったブラジル、アルゼンチン、インドなどの国々と協力した。ドイツ平和運動による調査の過程で、この協力は1983年に物理学者のグループによって明らかにされた。[ 33 ]こうして始まった国際的な議論は、 G7諸国レベルでのミサイル技術管理レジーム（MTCR）の発展につながった。それ以来、MTCRの枠組みの中で、輸出が厳格な管理の対象となる技術機器のリストが作成されている。

演算子とプログラム

参照

参考文献

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