はじめに

2009年9月14日追記。

読み返してみたら判りにくかったので、近いうちにもう少し短く判りやすく書き直したのを公開しようと思ってます。ファイル名はたぶんVernier01.htmlになる予定。ここも残しておきます。

宇宙船模型についているノズルの事をさしてバーニアと言われ、戸惑った事があります。

そこから少し調べてみたところ、特にガンダムに関する話でよく使われているのを知りました。

結構気になったので、実際に使われているバーニア等の意味を一度洗い出し、確認しようと思いました。

以下の文章は、フィクションの作品で使われる、用語の誤用を指摘するのが目的ではありません。

フィクションであれば、本来の用語を違う意味で使うってのも十分有りだと思います。

ただ、本来と違う意味で使っているのに、それが本来の意味だと誤解している方がおられます。そういう方への参考になればと思ってます。

また、これを書いてる本人も専門家ではありませんので、他の記事と同じく間違いの可能性も十分ありえます。そのような箇所を見つけた場合はメールで教えていただければ非常に助かります。できるだけ間違いがないよう、実際に使われている例をJAXAやNASA、専門の研究機関のサイトから調べだし、考察するようにはしています。

表記には若干の揺れがあります。バーニア=ヴァーニア=バーニヤ、等。ここではバーニアに統一しています。この辺は外国語を邦訳する際の、単なる発音表現の違いだろうと思います。語尾を伸ばすか伸ばさないか、という揺れもありますが(スラスタ=スラスター)、この辺もあまり気にしない方向で。

今回調べたのは主に日本とアメリカの一部のロケットです。旧ソ連/ロシアのは1例のみです。ヨーロッパや中国等はこれを書いている時点では調べていません。調査に偏りがあることご承知置きください。……もうこれでいいやって気もするんですけど。

1行でまとめた

以下は基本的にロケットとか宇宙船の場合。船舶とか検査機器とか、他の用途では別の意味で使われることがあるので注意。

バーニア
ロケットの飛翔時に、機体が正しい方向を向くよう姿勢を制御する小型ロケット。
スラスタ
基本的には「推進装置」の意味。
ブースター
推力を増大させるロケット。第1段目と共にロケットを上昇させる役割をもつ。
アポジモーター
遠地点(アポジ)で使われる固体ロケット。
RCS
反動制御システム。姿勢制御用ロケット。

しかし1行説明ってのはあまりにもなんなので、できれば下記の長ったらしい解説を読んだ後、実際に使われている例などを確認してほしいです。

予備知識

ピッチ、ヨー、ロール

ピッチ、ヨー、ロールというのは航空機などでもよく使われる用語です。

ピッチ
機体の左右軸周りの運動。機首が上下に振れる動きになる。
ヨー
機体の上下軸周りの運動。機首が左右に振れる動きになる。
ロール
機体の前後軸周りの運動。機体が左右に傾く動きになる。

バーニアエンジン」という名称は、ロール軸周りの制御をする補助ロケットに付けられていることが多いです。ロール軸周りの制御というと、ロケットの推進方向の軸を中心にした回転の制御ということになります。

姿勢制御

特に「バーニア」に関係する用語です。

ロケットは打ち上げられる際、風とかエンジンの調子など様々な理由で予定されたコースから外れてしまうことがあります。その時には予定されたコースへ戻さなければなりません。そのためには以下のような事が行われます。

  1. 位置や速度、姿勢の状況を知り、(航法)
  2. ズレがある場合、修正値を出して指令、(誘導)
  3. ロケットを何らかの手段で指定の方向に向ける(姿勢制御)

姿勢制御にはいろいろな方法や組み合わせがあります。

バーニア

「バーニア」は、元は2種類の目盛りからなる定規の組み合わせを使った精密測定方法を考え出したフランスの数学者の名前であり、そこから転じて微調整や補助といった意味合いで使われている言葉です。関係ないけど名前でググったら同じ名前の俳優さんがいました。1951年からフランス映画に出てるみたい。

長さの測定に使うノギスにバーニアと呼ばれる部品がついており(日本語だと副尺)、そこについているバーニア目盛と主尺の目盛との組み合わせを使って、一枚板の定規では精密に測定できない範囲まで測ることができます。

電車の「バーニア制御」、微調整ができるダイヤル「バーニアダイアル」等、いくつかの機器に使われている言葉です。

宇宙関係ですと、いくつかのロケットでこの用語が使われています。

バーニアエンジン(バーニアロケット)

ロケットが正しい方向へ飛ぶよう、機体の向きを制御(姿勢制御)する為の小さなロケットです。飛翔時の方向の制御には、ノズルやエンジン自体を動かしたり、ノズル内に気体や液体を吹き出してガス流を偏向する等いくつかの方法がありますが、バーニアエンジン(バーニアロケット)を使ってロケットの姿勢を制御するのも方法の一つです。

日本のJ-1、H-1ロケットやロシアのソユーズロケット、アメリカのアトラスロケット等に使われています。

実際に動作している動画を見ると、打ち上げ時からずっと燃焼ガスを噴射しているようですね。それに対してRCSは、必要なときのみ作動する、という感じです。

バーニアスラスタ

アメリカのスペースシャトルオービタは、RCS(リアクション・コントロール・システム)が三ヶ所あり、機首にはロケットが16本、後部の左右二ヶ所にはロケットが各14本ずつ装備されています(RCSについては後述)。そのうち各2本(計6本)は微調整用として使われるもので、他より推力が1/30以下と小さく、これをバーニアスラスタと呼びます。他のはプライマリスラスタと呼ばれます。

いつごろからか判りませんが、「バーニア」をこの意味(スペースシャトルのバーニアスラスタ)のみで説明している例を見かけます。ロケット飛翔時の姿勢制御に使われるバーニアエンジン、という意味合いがあったことも併記すべきと思うのですが。

この用語はスペースシャトル以外でも使われているのでしょうか? 推力を併記した呼び名を使っている例ならあったのですが。1Nスラスタ、6Nスラスタとか(Nは「ニュートン」と呼ぶ、力の単位です)。

この呼称の現状

ロケット飛翔時に使う姿勢制御の為の小さなロケット、という意味で「バーニア」という単語はあまり使われなくなっている気がします。

例えば1986年から1992年まで運用されたH-Iロケットは、第1段のロールの制御を「バーニアエンジン」が受け持っています。しかしその後のH-IIロケットや、2001年から運用されているH-IIAロケットでは同じくロールの制御をうけもつエンジンを「補助エンジン(Auxiliary engine)」としています。H-Iロケットまではデルタロケットの系統であり、蓄積された技術をもとに独自開発されたH-II以降とでは、様々な点で異なるところもあり、名称が変更になっても不思議ではないと思います。

1997年から2006年まで運用されたM-Vの場合、同じ役割を果たすのはSMRC(Solid Motor for Roll Control)もしくは小型固体ロケットモータ等の名称で呼ばれています。

姿勢制御のところでも書きましたが、書籍の場合、2003年2月に発行された『スペース・ガイド2003』という本では、ロケットの制御方法の解説の中で、副エンジン法(バーニアエンジン)の文字があります。2002年8月に発行された『トコトンやさしい宇宙ロケットの本』では同じ内容(102頁・43姿勢制御)がガスジェット制御と書かれ、図面では「小型エンジン」という文字があり、「バーニア」という文字はありません。ウェブサイト「宇宙情報センター」のロケットの制御では、副エンジン法とのみ書かれており、「バーニア」の文字はありません。

スラスタ

推力(thrust)を発生させるもので、スラスタ(thruster)。

船の場合

船の推進装置といえばスクリュープロペラですが、スラスタと呼ばれるものもあります。

横方向に動かすものをサイドスラスタ、船首についているものをバウスラスタ。水平方向に360度推進方向を変えられるものをアジマススラスタと呼ばれています。バウは船首、アジマスは方位角という意味です。2005年に完成した地球深度探査船「ちきゅう」は、船底に6基のアジマススラスタを備えており、風や波があっても位置を一定に保ったまま探査ができるようになっています。「ちきゅう」の場合、このアジマススラスタが主推進装置にもなっています。

宇宙船やロケットの場合

主に小型、小推力の推進器を指しているようです。主推進装置はよくメインエンジンと呼ばれますが(特別な名称をもつものもあります)、そんなに推力が大きくない場合はメインスラスタなんて言い方をされてるものもあるみたい。小惑星探査に向かった「はやぶさ」の主推進装置はイオンエンジン、イオンスラスタ等と呼ばれています。

スペースシャトルの場合

すでにバーニアスラスタの項目で書いたとおりです。RCSのそれぞれのロケットは、RCSスラスタとか、単にスラスタと呼ばれます。

他にオービタに付いているロケットは、SSME(Space Shuttle Main Engine)、OMS(Orbital Maneuvering System)と呼ばれるものがあります。SSMEはメインエンジンと書かれるほうが多いかもしれません。

人工衛星の場合

人工衛星(太陽の周りを回るのも含めて)の場合、天体の引力や太陽光の圧力等いろんな要素があって、姿勢が本来の状態からズレたりします。また、太陽電池やアンテナの向きを合わせるために、動きたいって場合もあります。そのように姿勢を変更する場合、スラスタ等が使われます。軌道を少し変えるのにも使われます。

人工衛星の姿勢制御にはリアクションホイールと呼ばれる装置も使われたりします。これが宇宙ステーション等大きなものになると、コントロール・モーメント・ジャイロ(CMG)と呼ばれるもっと大きな装置になります。姿勢を安定させるだけだと、地球の磁気や重力を利用することでほとんどエネルギーを使わずにすませるという方法もあります。

技術試験衛星VIII型「きく8号」のイオンエンジン異常についてでは、イオンエンジンを使ったスラスタと「化学燃料スラスタ」という単語が出てきます。2種類のスラスタを載せているんですね。

気になった解説

スラスタのことを燃焼しないロケット、とする解説を見たことがありますが、燃焼する/しないは関係ないはずです。

燃焼しない、というのは単にガスを噴射するだけとか、イオンエンジン等を使った場合だと思います。例えばキンチョール(タミヤカラースプレーでも可)を噴くようなものです。タンク内の圧力で気体を噴出し、推力を得たりとか。

推進剤を化学反応で燃焼させ、発生したガスを噴出して推進力を得るというスラスタもあります。触媒に触れさせて化学反応を起こしたり、混ぜるだけで燃焼する燃料と酸化剤を使ったりするものです。それぞれ点火装置は使いませんが、燃焼によってガスを発生させています。

ブースター

増大させるための装置。ロケットの場合、推力を増大させるために付けられる補助のロケットで、主に第1段目の周りに付けられ、打ち上げのときに利用されます。ロシアのソユーズロケットや日本のH-IIA、米国のスペースシャトルなどにブースターが付いています。

H-IIAやスペースシャトルのは固体ロケットを使っており、固体ロケットブースタ、SRBと略されます。H-IIAの場合はH-IIで使ったSRBの改良型ということで、特にSRB-Aという名称が使われます。

ロシアのロケット、ソユーズロケット(A-2とか)の場合、ロケット本体の周りに4本、本体と変わらない太さのロケットがついています。アメリカや日本等の感覚ではこれはブースターであり、第何段と呼びませんが、ロシアではこれを第1段と呼んでるようです。書籍などではこれを補助ブースターと書くものもあれば、第0段とするものもあります。

推力はというと、スペースシャトルの場合はメインエンジンが178t×3基で534tなのに対し、SRBは1350t×2基で2700t。メインエンジンの5倍にもなります。1基あたりでみると約7.6倍違います。

メインエンジンとブースターの推力
機種 メインエンジン(液体燃料) ブースター(固体燃料)
スペースシャトル 221kN×3 14660kN×2
H-IIA 1098kN×1 2245kN×2
H-IIB 1098kN×2 2305kN×4

メインエンジンは真空中の数値。大気中だと数値は落ちる。ブースターは(たぶん)最大値。H-IIAは打ち上げ能力が一番低い装備の状態。最大ではブースターが4本装備される。単位はkNに統一(1t=9.80665kN)

ロケットと呼ばれる部分をブースターと呼ぶ場合もあるみたいです。アポロ宇宙船を月まで運んだ巨大ロケット「サターンVロケット」は、しばしば「サターンVブースター」と呼ばれます。アポロ宇宙船を増速させる装置、という意味合いでしょうか。

アポジモーター

遠地点(アポジ)で使う固体ロケットモーター。静止衛星を静止トランスファ軌道から静止軌道へ軌道を変える時に用います。

近地点で噴射すると遠地点が遠ざかります。遠地点で噴射すると近地点が持ち上がります。そのため、近地点が地球近く(高度200~300km程度?)で遠地点が静止軌道(高度35786km)に達する楕円軌道(静止トランスファ軌道)にある人工衛星が遠地点で噴射すると、近地点が持ち上がり、高度35786kmの円軌道をまわるようになり、静止衛星となります(本当はもう少し制御が必要になりますが)。

液体ロケットエンジンを使ったものは「アポジエンジン」と呼ばれます。

「アポジスラスタ」と呼ぶ例もあります。どちらにせよ、楕円軌道から円軌道に移る場合、遠地点で使うロケットという意味であることには変わりありません。

遠地点(アポジ:apogee)というのは、地球を回る軌道のなかで、地球からもっとも離れた位置という意味です。要するに遠地点の「地」は地球の地ですね。これが太陽を回る軌道だと、遠日点(アフェリオン:aphelion)になります。

ちなみに静止衛星の打ち上げから静止軌道にのるまで、以下のような手順がよく紹介されています。

  1. 低高度の円軌道に一旦乗せて調子を見たり確認したり準備したりする。(パーキング軌道)
  2. 近地点で噴射し(ペリジキック)、遠地点を静止軌道まで持ち上げる。近地点が高度数百km、遠地点が高度約36000kmの楕円軌道になる。(静止トランスファ軌道)
  3. 遠地点で噴射し(アポジキック)、近地点を静止軌道まで持ち上げる。これでとりあえず高度約36000kmの円軌道になる。この時点ではまだ東西方向にズレたりするので、ドラフト軌道と呼ばれる。
  4. 微調整を行って、地上の一点から見た場合静止して見える状態にする。これで静止軌道にのりました、ということになる。

ただ、2006年に打ち上げられた「きく8号」等では、最初から遠地点が静止軌道近くになるトランスファ軌道に打ち上げられ(JAXAプレスリリース「きく8号」打上げ結果について(速報)のページにあるPDF書類を参照)、アポジエンジンを使って静止軌道に投入されてます。1977年に打ち上げられた日本初の静止衛星「きく2号」もそんな感じ(文部科学省の昭和53年版科学技術白書「第1-1-11図静止衛星までの過程」を参照 )です。目的の軌道に乗せるには様々な過程があるということですね。

ガンダム関係では有名な(?)誤用として、書籍でも取り上げられる用語です。ただその代わりとして「バーニア」をあげるのはさらに誤解をよんでいるように思います。

RCS

Reaction Control System(Subsystem) の略語で、直訳すると反動制御系でしょうか。姿勢制御システム、反作用制御装置等、様々に訳されています。姿勢制御に用いられる推力の小さなロケットや燃料タンク等から成ります。

例えばアポロ宇宙船の機械船(最近の邦訳だと支援船)に付いている、十字方向に伸びる小さなノズル。司令船にある数々の穴。あれがRCSです。機体を回転させたり、機体の向きを変えたりするのに用いられます。

スペースシャトルの機首と機体後部左右にもあります。太陽の熱を均等に受けるために機体を時々回転したり、国際宇宙ステーションとのドッキングのために機体の向きを変えたり等、姿勢を制御するのに使われます。軌道を上昇させたり離脱させたりなど、もう少し大きな力が必要なときは、機尾に2基あるOMSエンジンを使います。メインエンジンは外部燃料タンクから燃料を得ているので、タンクが無ければ動きません。

アメリカでは少なくともジェミニ以降の宇宙船に使われているほか、X-15などにも使われています。マーキュリーカプセルでも使われていると思うのですが、資料を見つけられないでいます。

モーターとエンジン

ロケットの場合、液体ロケットでは「エンジン」という言葉が使われますが、固体ロケットの場合は「モーター」という言葉が使われます。

「モーター」という単語は日本の場合、電気を回転という運動に変換する装置のことを指すことが多いと思います。有名どころだとマブチモーターでしょうか。意味としては他に(一般的な)発動機という意味もあるようです。モータープール(駐車場)のモーターはこちらの意味合いだと思います。しかしモータープールなんて言い方は古いかも。ちょこっと検索したら、関西限定用語みたい。

液体ロケットの場合は燃料/酸化剤ポンプ、点火室、燃焼室、ノズル等のように様々な機器から構成されているのに対し、固体ロケットの場合はモーターケース、推進薬、点火器、ノズルからなっています。モーターケースは推進薬を収納するタンクの役割や、燃焼室の役割などを受け持っています。液体ロケットのようにポンプなどが無く、比較すると簡単な構造になっています。

『日本ロケット物語』では次の文章がありました。

ついでに、付言すれば、固体ロケットの場合はロケットエンジンとはいわないで、ロケットモータと称して区別することが多い。エンジンといえば何となく複雑な印象を与えるのに対して、モータは何となく簡単な印象を与えるという理由からであろう。固体ロケットエンジンと称しても通用するが、液体ロケットモータというケースは、まずないと心得て置くのが無難であろう。

『日本ロケット物語』ロケットの起源と発展 ロケットとは何か 12p前

『トコトンやさしい宇宙ロケットの本』では次の文章がありました。

いわゆる「ロケット・エンジン」という言葉は、液体推進剤のロケットに対して使います。固体推進剤の場合に限って「ロケット・モーター」と呼ぶ習わしです。英語でも同じです。いずれにしろ「ロケットのいのち」ともいわれる装置です。

『トコトンやさしい宇宙ロケットの本』第4章 ロケット・エンジン 59p

ロケット

質量を後方へ飛ばして、その反動で推進力を得る機関。多くは化学反応により燃料を連続して燃焼、発生した高温のガスをノズルから噴出させ、推進します。燃料を爆発的に燃やすのに必要な酸素を自前で持っているため、真空中でも使えます。化学反応によらずに推進するロケットもあります。

液体ロケットの場合、燃料タンク、酸化剤タンク、ロケットエンジン(点火装置やポンプ、燃焼室、ノズル等からなる)等を含めた部分です。固体ロケットではロケットモーターケースとノズル等でしょうか。

その先端に載せるのは荷物(ペイロード)で、ロケットによって宇宙に運ばれます。人工衛星だったり、有人宇宙船だったり。観測用ロケットだと観測装置が積まれていて、弾道飛行を行います。

場合によってはペイロード部分も含めてロケットと言われたりします。

分類

よく使われるのは、推力を発生させる方法による分類があります。それらは燃料の性質でも分類されます。

  • 化学ロケット
    • 液体燃料ロケット
    • 固体燃料ロケット
    • ハイブリッドロケット
  • 非化学ロケット
    • 電気ロケット
      • イオンロケット
      • プラズマロケット
      • 電気熱ロケット
  • いろいろ

打ち上げ目的によっても分類されます。

  • 衛星打ち上げロケット
  • 観測ロケット

衛星打ち上げロケットは、人工衛星を軌道に乗せるための力が必要になります。観測ロケットは弾道飛行を行い、目的の高度まで達したあと地球に落ちていきます。その間に観測を行います。気球の到達高度と人工衛星が周回する高度の間、50km~250km程度の観測に必要だとか。日本から北極圏や南極に持ち込んで打ち上げたS-310のようなものがあります。

核分裂ロケット、核融合ロケット

核分裂反応で大量の高熱を発生させ、その熱を水素等の推進剤に加えて噴出させるのを原子力ロケットとか核分裂ロケットとか言います。これが核融合の熱を使うようになると核融合ロケットになります。

小さな核分裂燃料や核融合燃料を後方で爆発させ、その反動で飛ぶという方法が考えられてます。化学ロケットは高速のガスが連続して噴出するのに対し、こちらは燃料を断続的(パルス)に爆発させるので、核分裂パルスロケットとか核融合パルスロケット等と言います。

フィクションの場合、「核融合(分裂)パルスロケット」という言い方より、「核融合(分裂)パルス推進システム」といった方がなじみかもしれません。

原子力ロケットでは炉心に推進剤を送り込んで熱を与えているようですが、核融合だとどうなるんでしょう。実際に推進用核融合炉がないのでなんとも言えないのですが、ある程度の質量になるだけで連鎖反応をおこす核分裂と違い、核融合は反応を起こすまでが大変なのです(そのせいでいまだに実用化されない)。磁場では圧力を上げられないので、中のプラズマは真空に近いほど薄く、現在ある大きな実験炉でも壁が壊れて空気が1cc程度入った時点で核融合反応が止まり、冷えてしまうようなものなのです。炉に直接推進剤を送り込むのではなく、炉から後方へとプラズマを噴出させる途中で推進剤を送り込ませるような気がするのですが。

誤用の例

特にガンダム系の場合、推力の大小に関らず「バーニア」を姿勢制御用ロケットの意味として説明されているのをよく見かけます。そのためか本来が主に対する「補助」、「微調整」という意味があるにも関わらず「メインバーニア」という単語もあるようです。

ガンダムの世界でそのように使われるのなら、ガンダム世界の中では正しいことになると思います。所詮がフィクションなので、考証をひねり出すもよし、聞き流して話に没入するもよしと、疑問に思うよりは話を楽しむ方向のほうが健全でいいのではないかと思うのです。楽しめなかったり興味がわかなければ見なければいいだけですし。

――ただし、科学的に考証するというならば、基礎的な科学的知識は必要になると思います。雰囲気程度でもケプラーの法則やニュートン力学を理解していなければ、デタラメの上塗りにしかなりません。

また、ガンダムの番組は余り見てないので私の勘違いや間違いがあるかもしれませんが、現実の宇宙船と違って、軌道を瞬時に大きく変化させているモノがあるように思います。現実にはそのような動きをするモノが無い以上、フィクション作品に使われているそれらの装置がどう命名されるのかはその作品によるとしか言えません。新しく用語を作るか、既存の用語を転用するか、その辺はスタッフの知識やセンス、その他様々な理由によって変わってくると思います。

しかし、現実の話においては姿勢制御用のロケット、特に宇宙船の周りについていて船体を回転させたりする装置でしたら、バーニアやアポジモーターではなく、スラスタやRCS、RCSスラスタ、姿勢制御用スラスタ等と呼ぶ方が適切だろうと思います。

特定のフィクション作品で使われている用語や概念が、その他の作品や現実世界でも使われていると思いこむのはマズイと思うのです。

他にもノズルの事をバーニアと言われて疑問に思ったこともあったり。模型のパーツで「バーニア」という商品名でノズルが売られてたりもしますね。この辺はガンダム等の影響からくる用語の認知度の違いもあるでしょうし、「ノズル」より「バーニア」という語感の方が格好良くて売れるからかなあとか思ったりもします。

他に、バーニアの英語読みがバーナーとする話もありますが、これは明らかに間違いです。バーニアの綴りは「vernier」ですが、バーナーの綴りは「burner」で、火口といった意味です。とある大手質問系サイトでの回答として堂々と書かれてたのでがっかりしました。

ガンダムでいえば「アポジモーター」という単語が姿勢制御スラスタの意味に使われている事があるみたいなのですが、これについては多くのサイトでツッコミがあるようです。

書籍『ガンダム・センチネル』(持っているのは2003年9月の初版第10刷、第1刷は1989年9月)だと、「バーニア・ロケット」に対して以下のような解説があります。

宇宙機(MSを含む)の姿勢を制御するため、メイン・ロケット(スラスター)の他に機体の各所につけているサブ・ロケット・エンジンのこと。機体の向きを変えたり、回転したり、微かな移動、制御するのに用いられる。MSのバーニア・ロケットのことをアポジ・モーターと表記するのは間違い。

『ガンダム・センチネル』機動知識 293p下

どちらかというとこれは「RCS」の解説の方がしっくりくると思います。この辺はフィクションであるガンダムの話だから、ということで済ませられる程度の話ですけど、それにしては「アポジモーター」が間違いとか言っているので、じゃあこれはどうなんだろう? とか思ってしまうんですね。「RCS」って言葉にしなかったのは、「バーニア」って言ったほうがキャッチーで格好いいからでしょうか。

参照

2009年8月27日追記。

動画に関しては、YouTubeに上げられているものを参照しています。参照元にするには信頼性という点からみてNASAやJAXA等で公開されている動画にすべきと思いますが、良さそうなのを見つけられなかったので(私が見過ごしてるだけのような気が)、YouTubeにしました。特に個人で公開されたものですと、勘違いや思いこみ、編集による内容の改変などといった可能性がないとは言い切れません。

とはいえ今回のは(特にバーニアの場合)、注目する装備が信頼性の高いサイトにある図面の場所にあることから、参照元とするに十分だろうと判断しました。また、YouTubeを使って動画を配信しているJAXAチャンネルのもいくつかあげてみました。

姿勢制御の情報元

ISAS | 第5回:ロケットの姿勢制御 / ロケットの電気屋さん
ISASコラムから。
SPACE INFORMATION CENTER : ロケットの制御
宇宙情報センター、ロケットから。特に、「副エンジン法」と書かれているのがバーニアエンジンです。ここには書かれていませんが、書籍『スペース・ガイド2003』に同じ解説があり、バーニアエンジンの記載がありました。
H2ロケット 4号機 打ち上げ H2-4
YouTubeの動画。0分35秒頃から「ロケットは、ロール制御の後、ピッチ制御による、初期飛行方位角を115度として、徐々に南に向け飛行しています」とのアナウンスが聞こえます。これがロケットの姿勢制御ですね。
Endeavour Night Launch(Full)
YouTubeの動画。スペースシャトルエンデバーの打ち上げ。0分23秒頃から動作チェックの為、メインエンジンのノズルが動くのが見えます。また2分33秒頃、点火されたメインエンジンのノズルが少し内側に向くのが見えます。スペースシャトルはメインエンジン自体を動かすことで飛翔時の姿勢制御を行っています。外部ロケットブースターもノズルが動きます。

バーニアの情報元

N-1ロケットの場合

N-1ロケットは1970年に開発が決定し、1975年に1号機が打ち上げられました。1977年、日本初の静止衛星「きく2号」を打ち上げたのもこのロケットです。

第1段ロケットにはメインエンジンが1基、バーニアエンジンが2基ついています。また周りには固体補助ロケットが3本ついています。

姿勢制御は、ピッチ、ヨーはメインエンジンのジンバリング(エンジンの天辺を支点として左右に振る)で制御し、ロールをバーニアエンジンで制御します。第1段メインエンジン停止後から1段を切り離すまでは、3軸方向の姿勢制御をバーニアエンジンで行います。

固体補助ロケットは英語でStrap-On-Booster:SOBと呼ばれるもので、打ち上げ時の推力を増強するのに使われます。「補助」だからということで「バーニア」、と付くわけではありません。

固体補助ロケットならなんでもSOBと呼ばれているのかというと、例えばH-IIAの場合はSolid Strap-on Booster:SSBと呼ばれているようです。これはH-IIAの脇に付く小さなブースターで、 大きなものは固体ロケットブースター、Solid Rocket Booster:SRBと呼ばれます。SRBという呼び名はアメリカのスペースシャトルでもおなじみの名称です。ただH-IIAの場合、H-IIに使われたSRBの改良版ということで、特にSRB-Aという名称が付いています。

N-Iロケット
JAXA宇宙情報センター日本のロケットから。解説の中にバーニアエンジンと書かれた箇所があります。
N1ロケット7号機ビデオクリップ
YouTubeの動画。2分59秒頃から、細いロケットの炎が見えます。場所からみてN-1ロケットのバーニアエンジンと思われます。

N-2ロケットの場合

1981年に1号機が打ち上げられました。

N-IIロケット
JAXA宇宙情報センター日本のロケットから。解説の中にバーニアエンジンと書かれた箇所があります。
N2ロケット8号機ビデオクリップ
YouTubeの動画。3分24秒頃から、細いロケットの炎が見えます。場所からみてN-2ロケットのバーニアエンジンと思われます。

H-1ロケットの場合

1986年に1号機が打ち上げられました。NASDAのロケットでH-Iまでは、アメリカのデルタロケットの技術を導入したものです。

H-Iロケット
JAXA宇宙情報センター日本のロケットから。解説の中にバーニアエンジンと書かれた箇所があります。
H1ロケット7号機ビデオクリップ
YouTubeの動画。3分59秒頃から、細いロケットの炎が見えます。場所からみてH-1ロケットのバーニアエンジンと思われます。

この後に作られたH-IIロケットでは純国産になりました。H-IIの場合、ロール軸周りの制御を行うエンジンは補助エンジン(Auxiliary engine)と呼称しています。

J-1ロケットの場合

1996年に1号機が打ち上げられました。三段の固体ロケットで、H-IIロケットの固体ロケットブースターに、ISASのM-3SII型ロケット上段部を組み合わせています。短期開発で低コスト化を狙いましたが結局高くついたようで、1機のみで終わりました。

J-Iロケット
JAXA宇宙情報センター日本のロケットから。解説の中に外部バーニアエンジンと書かれた箇所があります。
J1ロケット試験機1号機ビデオクリップ
YouTubeの動画。3分41秒頃から、細いロケットの炎が見えます。J-1ロケットの外部バーニアエンジンと思われます。ロケットブースターではありません。
J1ロケット試験機1号機打上げ
YouTubeの動画。3分17秒頃、「外部バーニアロケット」のアナウンスが聞こえます。

アトラス

アメリカのマーキュリーカプセルを打ち上げたアトラスロケットの打ち上げシーンがYouTubeや映画「ライトスタッフ」等で見ることができますが、打ち上げ直前にロケットの下の方、両脇にある二基の小さなロケットからの噴射が確認できます。アトラスロケットの装備から見てもあれがアトラスのバーニアロケットだと思います。NASAかどこかにアトラスロケットの図面が公開されてれば確認できるんですが今のところ確認できてません。

アトラスの次世代であるアトラス1ロケットに、バーニアエンジンからの噴射炎が写っている写真があります。AC-79/GOES-K launch from Pad 36B at CCASのページからリンクされています。5MBほどのHigh画像をお薦め。両脇から斜め下に向けてバーニアエンジンからの炎が見えます。

ソユーズロケット

ソユーズロケットの場合、4基の大きなノズルの外側に4つ(ブースターの場合は2つ)小さなノズルがありますが、これがバーニアエンジンにあたります。メインエンジンは固定されており、バーニアエンジンによって姿勢制御を行い、指定された飛行経路をとります。

NASAのサイトのなかでソユーズロケットのノズル周辺を写した画像があります。5本のでっかい筒に、それぞれ大きなノズルが4基、小さなノズルがまん中の筒には4基、周りの筒には2基づつくっついているのがわかります。周りの4本の筒がブースター(ゼロ段目。ロシア流には1段目)、まん中の筒が1段目(ロシア流には2段目)のロケットです。

ノズル内の色は赤く見えます。ただ、赤いカバーが差し込まれているように見えるのですがどんなもんでしょう。

スペースシャトル

バーニアスラスタ、という用語が使われている例。スペースシャトル固有の用語なのかな?

第1編 MSL―1計画
国際宇宙環境利用研究データベース(ISRDB) ホームページ内のデータ。1997年7月2日(日本時間)に打ち上げられたスペースシャトルコロンビアの実験室、スペースラブにて行われた第1次微小重力科学実験室 ( MSL-1 )の記録です。コロンビアのデータがあります。最初に飛行したオービタで、以後のオービタとは若干スペックも異なります。
STS-127 NASAステータスレポート#05
国際宇宙ステーション(ISS)にドッキングしたエンデバーの話の中に、「バーニアスラスタ」の文字があります。ISSを上昇させるのに使った模様。
スペースシャトルの概要
JAXAの宇宙ステーション・きぼう広報・情報センターのFAQより。ここでは「バーニアエンジン」となっていますが、RCSを「姿勢制御エンジン」、プライマリスラスタを「主エンジン」と書いているので、それに合わせたんだろうと思います。

M-3SII

用途からすればバーニアと呼ばれてもおかしくなさそうだけど、そうは呼ばれていないものの一例です。

旧ISASが使っていたロケットです。全段固体ロケットで、ハレー彗星探査で探査機を飛ばしたこともあるロケットです。

M-3SIIとM-V
JAXAの日本の宇宙開発の歴史第8章 究極の固体ロケットをめざしての1節です。ロケットの図解があります。
尾翼の先に、ロール制御を行う固体ロケット(SMRC)が付けられています。NASDA系のロケットでは、第1段のロール制御を行うロケットをバーニアロケットと呼んでいましたが、これはSMRCという名称が付けられています。

スラスタの情報元

機体概要(PDF書類)
文部科学省にある、HTV(宇宙ステーション補給機)の概要。メインスラスタの単語あり。
宇宙ステーション補給機(HTV)プレス公開(2008年04月17日)
宇宙ステーション・きぼう広報・情報センターの記事。HTVのメインスラスタ(推進モジュール)の文章あり。
タイトル:HTV メインエンジン燃焼試験状況
JAXAのフォトアーカイブから。同じ装置をメインエンジンと呼称している一例。
「筑波宇宙センター特別公開」レポート
ロボットWatch、2008年4月23日の記事。まん中あたりに「かぐや」のスラスタ2種類の写真がある。
ISAS | 小惑星探査機「はやぶさ」MUSES-C / 科学衛星
機体データ、構造、形状にある図に、メインエンジンである「イオンスラスター」と、2液スラスタ(12基)の文字。
Q1.衛星のなかでコマが回っている?
JAXA、宇宙利用ミッション本部によるFAQの一つ。リアクションホイールの説明。
コントロール・モーメント・ジャイロ(CMG)
JAXAによる、ISS(国際宇宙ステーション)に取りつけられたCMGの説明。
「はるか」の姿勢制御
ISASニュース 1999.8 No.221、工学実験衛星で宇宙電波望遠鏡でもある「はるか」の特集から。高い精度で姿勢制御を行う必要があるためか、リアクションホイールや磁気トルカ(衛星内に電磁石を作り、地球の磁場と作用させて制御できる回転運動を発生させる……という感じ?)、RCSと、いろいろあるみたいです。RCSには3Nスラスタ(3N(ニュートン)は力の単位)が8基あるみたいです。

以下は船舶の例です。

CHIKYU HAKKEN|ちきゅうツアー|3.アジマススラスタ
「ちきゅう」情報発見サイト内のページ。地球深度探査船「ちきゅう」のアジマススラスタのCGと写真が見られます。

RCSの情報元

RCS(ガスジェット装置)
JAXA、宇宙輸送系システム技術研究開発センター宇宙輸送用語集から。
推進系(RCS)
JAXA、陸域観測技術衛星(ALOS)ホームページのFAQから。人工衛星につまれているRCSの解説。
Project Gemini - A Chronology. Part 1 (B)
ジェミニ計画について書かれています。Figure 15.の図面に「RSC」の文字があります。
Scaled composites - Tier One General Information
スペースシップ1等、非常に面白い航空機(宇宙機も)を産み出してきたスケールド・コンポジッツ社のサイトです。この中のSpaceShipOneのリンク先をみてください。pdfの方が文字が潰れず読めるのでお薦めです。機首にピッチとヨーの制御を行うRCS、翼端にロールの制御を行うRCSの文字が見えます。

モーターとエンジンの情報元

ロケットエンジン 宇宙輸送用語集
JAXA、宇宙輸送系システム技術研究開発センター宇宙輸送用語集から。
開発1.4.1 主な構造要素 1997.5 No.194
ISASニュースホームページISASニュース 1997.5 No.194、M-V特集から。固体ロケットのモーターケースの解説。
NASA - Ares I Crew Launch Vehicle
アメリカで「固体ロケットモーター」と言ってる一例。solid rocket motorという記述があります。アレスIの第1段は固体ロケットの予定です。

参考

ウェブサイト

宇宙をまなぶ/コズミックカレッジ・ファンダメンタルコース テキスト 3 ロケットを飛ばす
ロケットについての基礎知識と、種類などの解説。
SPACE INFORMATION CENTER : ロケット
JAXAの宇宙情報センターのページで、ロケットについての解説。ここから様々な解説のページにリンクされている。
日本のロケット開発史
SPACE INFORMATION CENTER : ロケットの中から。最初の2つがISAS、次の5つがNASDAの歴史になってますね。
日本の宇宙開発の歴史
ISASの歴史。ペンシルロケットから始まる日本のロケットの歴史です。膨大な量の文章と画像です。
JAXA|H-IIAロケット主要諸元
H-IIAロケットの各種名称。英語版はH-IIA Launch Vehicle
JAXA|H-II ロケット詳細情報
H-IIロケットの各種名称等。英語版はH-II Launch Vehicle
宇宙飛行の歴史
YouTubeのJAXAチャンネルから。ソ連とアメリカの宇宙進出からスペースシャトル、国際宇宙ステーションに繋がり、日本の宇宙飛行士が活躍するまでの歴史。ガガーリンやレオーノフ、アメリカのオリジナル・セブンの一人一人等、様々な宇宙飛行士が登場します。
ロケット開発のあゆみ~ペンシルからM-Vまで~
YouTubeのJAXAチャンネルから。ペンシルロケットから始まりM-Vに続く、日本の固体ロケットの系列の話。実利用目的で液体ロケットを飛ばしてきたNASDAと並び、科学研究目的で固体ロケットを飛ばしてきたISASの歴史です。

書籍

定価や発行日などの情報は、私が所有しているものか、図書館で借りてきた本のものです。現在は改定や絶版の可能性があります。

ロケットの歴史や、人工衛星や軌道などについての知識を得ることができます。この記事では参考にしてなかったものの、非常に参考になる本も取り上げています。

トコトンやさしい宇宙ロケットの本
著者:的川泰宣
発行:日刊工業新聞社
定価:1400円+税
ISBN4-526-04998-0
スペース・ガイド2003
編:(財)日本宇宙少年団
発行:丸善株式会社
定価:1100円+税
ISBN4-621-07153-X
日本ロケット物語
著者:大澤弘之
発行:三田出版会
定価:2500円(本体2427円)
ISBN4-4-89583-150-7
まんがサイエンスII ロケットの作り方おしえます
著者:あさりよしとお
発行:株式会社 学習研究社
定価:780円(本体757円)
ISBN4-05-10622-8
宇宙へのパスポート
著者:笹本祐一
発行:株式会社朝日ソノラマ
定価:1524円+税
ISBN4-257-03649-4
図解雑学 宇宙旅行
著者:柴藤羊二
発行:ナツメ社
定価:1300円+税
ISBN4-8163-3446-7
宇宙からオーロラは見えるの?
著者:R・マイク・ミュレイン
発行:早川書房
定価:800円+税
ISBN4-15-050253-6
宇宙暮らしのススメ
著者:野田篤司
発行:株式会社 学習研究社
定価:1200円+税
ISBN978-4-05-404142-4-

すでに手に入りにくい本があるかもしれません。

『宇宙へのパスポート』は、1~3まで発売されています。