分光分析の幕開け（９）－天体からのメッセージ

天体からの光のメッセージ

　太陽光のスペクトルにDの暗線があるということは、太陽の表面に多数のナトリウム原子が存在することを意味します。このことは、他の暗線を調べると、太陽にどのような原子が存在するのかがわかることも意味します。

　1868年にインドで観測された皆既日食で、太陽の縁から立ち昇るプロミネンスの光のスペクトルに新たな輝線が確認されました。この輝線は、新しい原子によるものと考えられ、その原子はヘリウムと名付けられました。地球上でヘリウムが発見されたのは、それから27年後の1895年のことです。

　現在、太陽光には約25,000本の暗線が確認されています。暗線は発見者に因みフラウンホーファー線と呼ばれています。

記号	元素	波長(nm)	記号	元素	波長（nm）
A	O2	759.370	E2	Fe	527.039
B	O2	686.719	F	Hβ	486.134
C	Hα	656.281	G	Fe	430.790
D1	Na	589.594	G	Ca	430.774
D2	Na	588.997	H	Ca+	396.847
D3	Na	587.565	K	Ca+	392.368

主なフラウンフォファー線

　太陽と同様に宇宙にたくさん存在する恒星からやってくる光のスペクトルを調べることによって、その天体にどのような原子が存在するのかを知ることができます。

宇宙の膨張もわかる 

　地球から遠ざかる天体の光は、ドップラー効果により、波長が長くなります。これを赤方偏移といいますが、どれぐらい波長が長くなったかを調べるには、基準の光が必要となります。この基準にフラウンホーファー線が使われます。

　銀河のスペクトルの赤方偏移から、この宇宙が膨張していることがわかったのです。

　このように遙か彼方の天体からやってくる光には、天体からの原子のメッセージが込められているのです。

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分光分析の幕開け（８）－フラウンフォーファー線（暗線）の正体を突き止める

ブンゼンとキルヒホフ

　1859 年、ドイツの化学者ローベルト・ブンゼンと物理学者グスタフ・キルヒホフはスペクトル測定の研究を進めていました。ブンゼンが発明したブンゼン・バーナーはほぼ無色の炎を出すことができました。ブンゼンとキルヒホフは、この炎に物質を入れ、物質から出る光のスペクトルを調べる炎光分光分析という分析法を開発しました。1860年に分光学的手法によりセシウムとルビジウムを発見しています。

キルヒホフ（左）とブンゼン（右）

太陽光のスペクトルの解析

　ブンゼンとキルヒホフは炎光分光分析法で太陽光のスペクトルの分析を行い、フラウンフォーファー線のD線について調査しました。２人は太陽光のスペクトルに D の暗線が生ずるのは、太陽光がナトリウム原子が出す光を含まないからだと考えました。そして、太陽光とナトリウム原子の光を混合すると、ナトリウム原子のDの輝線が太陽光のDの暗線を補い、全体としてはDの暗線が消えると考えました。ところが、実験の結果は、Ｄの暗線が消えるどころか、予想に反して、より暗くなってしまったのです。

暗線の正体を突き止める

　ブンゼンとキルヒホフは、暗線が生じないオイルランプの光とナトリウム原子の光で同様の実験をおこないました。すると、D の暗線をもつスペクトルが得られたのです。２人はこの結果について、「オイルランプの炎の中にはナトリウム原子がたくさん存在する。そこに、
ナトリウム原子が出す光がやってくると、オイルランプ中のナトリウム原子がその光を吸収する。その結果、Ｄの位置の光が欠けて暗線が生じる」と結論づけました。

　つまり、ブンゼンとキルヒホフは原子自らが発光する光と同じ光を吸収することを発見したのです。

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分光分析の幕開け（７）－フラウンホーファー線の発見

プリズムの虹に隠された秘密

　ニュートンがプリズム分光実験から約150年後の1814年、ドイツの光学機器の技術者ヨゼフ・フォン・フラウンホーファーは高精度のプリズムを搭載した望遠鏡で太陽光のスペクトルを観察していたところ、綺麗な虹色のスペクトルの中に、暗線が飛び飛びに存在していることに気がつきました。

ヨゼフ・フォン・フラウンホーファー

　スペクトルの中に暗線があるということは、その部分の光が欠けていることを意味しています。

太陽光の可視スペクトルの暗線

　当初、フラウンホーファーは、この暗線は光学ガラスの問題で生じたのではないかと考え、別の光学ガラスを使って観察を繰り返しました。しかし、何度繰り返しても暗線が消えることはなかったのです。この暗線はフラウンホーファー線と呼ばれます。

　フラウンホーファー線は実際にはイギリスの化学者・物理学者のウイリアム・ウォラストンによって1802年に発見されていますが、暗線の探究を行ったフランホファーの名が付けられました。

暗線の正体を探る

　フラウンホーファーは太陽光のスペクトルの暗線の数と位置を丁寧に詳しく調べあげ、およそ600本の暗線があることを確認しました。続いて、月や金星の光のスペクトルについても調べてみました。すると、それらのスペクトルにも暗線が見つかったのです。そして、その暗線の数と位置を調べてみたところ、太陽光のスペクトルの暗線と一致していました。

　フラウンホーファーは、この結果について、月や金星は太陽光を反射しているのだから、太陽と同じ結果になっても不思議ではないと考えました。そこで、フラウンホーファーはいくつかの恒星の光のスペクトルを調べてみました。すると、恒星の光のスペクトルの暗線の数や位置が太陽光のスペクトルの暗線とは異なることを発見したのです。

　フラウンホーファーはスペクトルの暗線を調べると、太陽や恒星について詳しく知ることができると考え、太陽光のスペクトルの波長の長い赤色の光の方から、主要な暗線にA、B、C…と記号をつけました。

可視スペクトルとフラウンホーファー線の記号

　フラウンホーファーは炎の中に食塩を入れ、ナトリウム原子の炎色反応で生じる黄色い光のスペクトルを調べてみました。すると、黄色い光の輝線が暗線Dと同じ位置に現れました。

ナトリウムの輝線スペクトル

ナトリウム原子の輝線は、分光分析の幕開け（１）－炎色反応でナトリウムの輝線を発見で説明したように、1752年のトーマス・メルビルの炎色反応の実験によって発見されています。メルビルはこの輝線がナトリウム原子に由来するものであることには気がついていませんでしたが、フラウンホーファーの暗線Dはメルビルが発見した輝線と同じものでした。

　フラウンホーファーは暗線Dとナトリウム原子の輝線に何らかの関係があると考え、この結果を報告しました。しかし、当時の科学者たちから受け入れられず、この発見は忘れ去られることになりました。

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分光分析の幕開け（６）－赤外線も紫外線も光の仲間

　1800年のハーシェルによる熱線（赤外線）の発見、1801年のリッター による化学線（紫外線）の発見により、太陽光のスペクトルの両側に目に見えない放射線が存在することが判明し、熱線と化学線も光の仲間と考えられましたが、しばらくの間は光とは別なものと考えられました。
　
　1814年、電磁気学や偏光の研究を進めていたフランスの物理学者ジャン＝バティスト・ビオが、熱線・可視光線・化学線はすべて同じ種類の放射線であることを提言しましたが、この３種類の放射線が常に一緒に発生すると考えていたスコットランドの科学者ディヴィッド・ブリュースターによって否定されました。

ジャン＝バティスト・ビオとディヴィッド・ブリュースター

　イタリアの物理学者マセドニオ・メローニとレオポルド・ノビーリは1832年頃から熱線の性質の研究を行い、熱線が光と同様に屈折・反射・偏光することを示しました。マセドニオ・メローニは著書『La thermocrose au la coloration calorifique(Vol. I., Naples, 1850)』の執筆を進めていましたが、執筆途上に感染症コレラにかかり亡くなりました。

マセドニオ・メローニとレオポルド・ノビーリ

　フランスの物理学者アレクサンドル・エドモン・ベクレルは光を物質に当てると電気が発生する光起電力効果の研究を進めていました。ベクレルは電気が熱によって発生したものではないと考え、1839年にカラーフィルターを使用してさまざまな波長の光で光起電力効果を確かめました。ベクレルは太陽光のスペクトルについても研究を進め、太陽電池の基礎的な研究を行いました。なお、参考までに放射線の発見者アンリ・ベクレルはアレクサンドル・エドモン・ベクレルの息子、電気化学や発光現象を研究したアントワーヌ・セザール・ベクレルはアレクサンドル・エドモン・ベクレルの父です。

アレクサンドル・エドモン・ベクレル

　このようなスペクトルの研究をもとに、熱線や化学線が光の仲間と認められ、それぞれ赤外線、紫外線と名付けらたのです。

　ところで、赤外線と紫外線は英語でそれぞれinfrared、ultravioletです。infra-は「下に」、ultra-は「超える」を意味する接頭語で直訳すると、赤外線と紫外線にはなりません。infraredは光のエネルギーが赤色光より下という意味で、ultravioletは光のエネルギーが紫色光より上とという意味と考えておくと良いでしょう。

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分光分析の幕開け（５）－可視光線の波長範囲の測定

ニュートンのプリズム実験で見逃されたもの

　ニュートンが1666年に太陽光をプリズムで分散してスペクトルの観察をした実験の様子は、ニュートンが1704に出版した『光学』に詳しい記述があります。

▶︎ニュートンのプリズム分光実験が1666年である根拠
https://optica.cocolog-nifty.com/blog/2014/05/1666-2081.html
▶︎光学の原著 Opticks by Sir Isaac Newton / Project Gutenberg
https://optica.cocolog-nifty.com/blog/2012/05/opticks-by-sir.html

　なにしろ、ニュートンは光を波と考ようとはしませんでしたので、可視光線の連続スペクトルの各部の色を屈折角と関係づけて説明しています。

　ですから、ニュートンは光の色の説明で波長のことは言及していません。その後の他の科学者達によるスペクトルの実験でも、しばらくの間は光の色と波長が関係づけられることはありませんでした。赤外線を発見したハーシェルも紫外線を発見したリッター も光と波長の関係については言及していません。詳細な実験がいろいろ行われ、いろいろなことが解き明かされたにも関わらず、光の色と波長の関係だけは取り残されていたのです。

光は波であると結論づけたのは誰か？

　ニュートンの時代でも、クリスティアーン・ホイヘンスやロバート・フックなど光が波であろうと考えていた科学者はいましたが、光の波長を求めるところまでは至っていません。光の波長はあまりにも小さいため、当時の技術で光の波長を測定するのは困難だったのです。

　光が波であることを解き明かしたのはトマス ・ヤングです。ヤングは1790 年代には医学を学び、視覚、色覚、聴覚、音声について研究を行いました。それらの研究をきっかけに、やがて光学に興味をもつようになり、光の正体が何かを考えるようになりました。

トマス ・ヤング

　ヤングは 1773 年に生まれで、ニュートンは 1727 年、ホイヘンスは 1695 年、フックは1705年に没しています。ですから、ヤングは光の粒子説と波動説の争いの渦中にあったわけではありません。ヤングが生まれた頃には、この争いは光の粒子説の勝利で決着がついていました。その後も、ニュートンが提唱した説が覆されることはありませんでした。

　しかし、ヤングは音は空気中を伝わる波によって生じるのだから、光も波だろうという考えに至り、光が波であることを突き止める研究を進めました。そして、1800 年に「音と光についての実験および理論的研究に関する議論」という論文を発表し、世界で初めて波の干渉の原理につい
て説明しました。この論文は、音と光の比較から、光の振る舞いについて説明したものです。しかし、干渉の現象は音の波での説明であり、光
の干渉にまでは十分に拡張されていませんでした。

　ヤングはその後も光の干渉の実験を勧め、有名なヤングの実験（二重スリットの実験）で光の波を干渉させ、光が波であることを証明しました。この実験はヤングが1807年に発表した 「自然哲学講義」に掲載されていますが、この話は長くなるので、ここでは取りあげません。

ニュートンのスペクトルを波長と関係ずける

　ヤングは1801年に単純な回折格子を用いて、格子の溝の間隔から波長を計算しました。ヤングが用いた回折格子は、1インチあたり500本の溝が刻まれたガラス板でした。この回折格子に45度で太陽光を入射させると、光の干渉により、４つの明るい序列が現れました。回折角の正弦が整数1:2:3:4に従って増加していることから、ヤングは太陽光の波長を求めることができました。ヤングの計算では、可視光線の範囲は424 nmから675 nmの光となります。このことはヤングの1802年にまとめた下記の論文に掲載されています。

Young, T., "The Bakerian Lecture: On the Theory of Light and Colours", Phil. Trans. R. Soc. Lond., 92, 12-48 (1802). 
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rstl.1802.0004
Veiw PDFをクリックすると、PDFを参照することができます。

上記の論文の39ページの下表に結果がまとめられています。

この表の波長の単位はインチになっています。

赤側の端と紫側の端をメートルに換算してみましょう。

Red Extremaは、0.0000266 inchとあります。1inchは2.54 cmですから、0.0254 mになります。

0.000026 inch × 0.0254 m/inch = 0.00000067564 m

これに10⁹をかけてnmにすると、675.64 nmになります。

同様に、

Violet Extremaは、0.0000167 inchiですから、424.18 nmになります。

実は小数点の下三桁の数字に2.54をかけると、ちょうどnm単位になります。

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分光分析の幕開け（４）－紫外線の発見

化学線の発見

　1801年、ドイツのヨハン・ヴィルヘルム・リッターは、1800年のハーシェルの熱線（赤外線）の発見に触発されて、太陽光のスペクトルの紫色光の外側にも目に見えない光があるのではないかと考えて、実験を行うことにしました。

Die Auffindung nicht sichtbarer Sonnenstrahlen außerhalb des Farbenspektrums an der Seite des Violetts.
Ritter, J. W. (1801) 6. Von den Herren Ritter und Backmann. Annalen der Physik, 7, 527.

　実験を行うにあたり、リッター は塩化銀の光化学反応を利用しました。当時、硝酸銀や塩化銀に光を当てると黒化する現象はよく知られていました。最初の記録としては、1614年にタリアの医師Angeleo Salaが太陽光を硝酸銀の粉末に当てると色が黒くなることを報告しています。

　リッターは、太陽光のスペクトルの様々な色の光を塩化銀に当て、塩化銀が白色から黒色に変化する反応速度を調べました。そして、赤色光では、塩化銀がほとんど変色しないこと、青色光が赤色光よりも速く塩化銀を黒化させることを確認し、さらにスペクトルの紫色光の外側0.5インチの色がついていない部分がもっとも速く塩化銀を黒化することを発見しました。

　この実験の結果から、リッターはスペクトルの紫色光の外側に目に見えない物質を変化させる放射線が存在することを示し、これを脱酸線（de-oxidierende Strahlen）と名付けました。脱酸素線は後に化学線と呼ばれるようになりました。

　リッター が発見した化学線が光の仲間であることは直ちには受け入れられませんでした。化学線が紫外線と呼ばれるようになるまでには、しばらく時間を要しました。

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分光分析の幕開け（３）－赤外線の発見

熱線の発見

　1800年、イギリスのウィリアム・ハーシェルは、プリズムでできた太陽光のスペクトルのさまざまな部分に温度計を当てて、様々な色の光の温度を測定しました。

Herschel, W(1800) Experiments on the refrangibility of invisible rays of the sun. Phil. Trans. R. Soc. Kond.,90,255-283,284-292,293-326.
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspl.1800.0013

　実験の結果、赤色光は周囲より7 F°、緑色光は3 F°、紫色光は2 F°だけ温度を上昇させることを発見しました。

　さらに、ハーシェルはスペクトルの赤色光側の外側の温度を測定してみました。このときプリズムでできた可視スペクトルの幅は４インチほどになりましたが、赤色光側の端から1.5インチ外側の部分が最も大きい9 F°の温度上昇となることを突き止め、スペクトルの目に見える色がついている部分よりも温度が高くなることを発見しました。

　また、ハーシェルは紫色光の端から外側の部分でも同じ測定を試みましたが、温度上昇は認められませんでした。ハーシェルはこの領域での探究は継続しなかったようです。

　ハーシェルは、太陽光のエネルギーの最大強度は緑色光から黄色光あたりにあることから、太陽光の熱エネルギーの最大強度は、光のエネルギー最大強度と比べてかなりずれていることを指摘しています。

　ハーシェルは一連の実験から、赤色光の外側に熱を運ぶ熱線があると考えました。ハーシェルは熱線が光と同じ屈折と反射の法則に従うことを発見し、放射熱と光は本質的に同じものであることを提案しましたが、19世紀半ばまで受け入れられませんでした。

　また、ハーシェルが発見したのは紛れもなく赤外線でしたが、しばらくの間は「熱線」などと呼ばれました。

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分光分析の幕開け（２）－ニュートンのプリズム実験

ニュートンのプリズム実験

　分光分析の幕開けと言えば、アイザック・ニュートンが1666年に行ったプリズムの実験を外すことはできないでしょう。ニュートンは無色の太陽光をプリズムに通すと、虹のような連続した光の色の帯が現れる現象について研究を重ね、この光の色の帯のことをスペクトルと名付けました。

　さて、この「分光分析の幕開け」シリーズの（１）でニュートンのプリズムの実験についてあえて触れなかった理由として、

• このブログでニュートンのプリズム実験についての説明を何度か掲載していること
• ニュートンのプリズム実験から19世紀の分光学の発展期の間には相当の年月が経過しており、ニュートンの実験が直接的に分光学の発展に寄与したとまではいえないこと

などもあるのですが、ニュートンが1704年に著作「光学」で非常に重要な先駆的な実験と結果を示したにもかかわらず、その後の光の探究からはあえて遠ざかってしまったふしがあるからです。

　ニュートンは光の正体を粒子と考え、光の直進、反射、屈折などの現象を説明をしました。クリスティアーン・ホイヘンスやロバート・フックは光のさまざまな現象を観察し、鋭い洞察力から光は波だと唱えました。しかし、当時、万有引力を発見していたニュートンの権威があまりにも絶大だったため、ニュートンの説が覆ることはありませんでした。

　ニュートンの著作「光学」に目を通してみると、前半部分に記述されている反射、屈折、プリズム分光などの現象の研究においては、光を粒子とした説明に勢いが感じられます。しかし、後半部分には、ニュートンリング、薄膜の構造色、回折など、光を粒子とすると説明が困難になりそうなものを題材として取り上げており、説明に苦戦しています。ニュートンの説明はこじつけのようなものもありましたが、それでも何とかつじつまを合わせて光の現象を説明できたのです。しかし、結論を出さずに説明を保留した現象もあります。

なぜ、ニュートンは自らの説明が困難になるような現象まで題材として取り上げたのでしょうか。それは、プリズムの実験からもわかるように、ニュートンが光と物質の相互作用と色の関係を解明しようとしていたからです。そういう意味では、ニュートンは何がなんでも光を粒子だと貫いていたわけではありませんでした。

　ニュートンは、自身やその他の多くの研究者が光の研究を進めていく過程で、光は周期的な性質をもつことを認識していました。ですから、光の正体は本当は波なのではないかと気がついていたようにも思います。しかし、ニュートンは、光の現象について、光が波であるという立場での説明はしませんでした。ニュートンが波の立場で光の現象を説明していたら、もっといろいろなことが解明されていたかもしれません。

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分光分析の幕開け（１）－炎色反応でナトリウムの輝線を発見

炎色反応のスペクトルに輝線を発見

　18世紀のスコットランドの自然哲学者トーマス・メルビル（Thomas Melvill）は、1752年にエジンバラの医学会において「光と色の観察」という講義を行い、炎色試験について説明しました。

Melvill, Thomas  "Observations on light and colours". Essays and Observations, Physical and Literary. Read before a Society in Edinburgh, …. 2: 12–90. ; see pp. 33–36.

Melvill, Thomas, "Observations on light and colours", Journal of the Royal Astronomical Society of Canada, Vol. 8, p.231.
http://adsabs.harvard.edu/full/1914JRASC...8..231M

　メルビルはさまざまな塩類の炎色反応の炎から発する光をプリズムを使って分光しスペクトルを観察を行ました。

クリアファイル（炎色反応） A4 数研グッズ

　そして、すべての塩類の炎のスペクトルにおいて、同じ位置に黄色の輝線が現れることを報告しています。この黄色い線はメルビルが実験に使った塩類に含まれていた不純物のナトリウムに由来しましたが、メルビル自身は黄色い輝線の原因を特定することはできませんでした。また、メルビルはプリズムの作用の原理として、異なる色の光線は異なる速さで進むという説を提案しています。

　メルビルは、世界で初めて炎色試験を行った人物として、フレーム発光分光法（炎光光度法）の父と呼ばれることもあります。

ナトリウムの輝線（D線）

　メルビルが発見したナトリウムの輝線は、後にＤ線と呼ばれるようになりました。D線はナトリウム原子により吸収あるいは放出されるスペクトル線で、ごく近い波長のD₁線（589.6 nm）とＤ₂線（589.0 nm）の２本からなります。

ナトリウムランプの輝線スペクトル（D線）

　ところで、ナトリウムはドイツ語Natriumで、英語ではSodiumです。なぜ、ナトリウムの輝線がD線と呼ばれるのかは、この分光分析の幕開けの続編の中で説明します。

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H-IIBロケットはどれぐらいの重量まで宇宙に運べるか

「H-IIBロケット」と「こうのとり」最後の打ち上げ成功

　2020年5月21日午前2時31分、国際宇宙ステーション（IIS）に物資を運ぶ無人補給機「こうのとり（HTV, H-II Transfer Vehicle）」９号を搭載したH-IIB(H2B)ロケットが鹿児島県の種子島宇宙センターから打ち上げられました。約15分後に、H-IIBロケットから切り離されたHTVは予定通りの軌道に投入され、打ち上げは成功しました。HTVは25日午後9時頃にIISに到着する予定です。H-IIBロケットとHTVは今回の打ち上げをもって退役となり、最後の打ち上げに有終の美を飾ることができました。

　下記のJaxaの映像で30分のところが打ち上げ10秒前です。

「こうのとり」9号機/H-IIBロケット9号機打上げライブ中継

　今回の打ち上げは新型コロナウイルスの感染防止のため種子島島内の見学場が全て閉鎖されたなか実施されました。

　自分はずいぶん前にH-IAロケットの打ち上げを見学するために種子島を訪問したことがあります。残念ながら打ち上げが延期となってしまいました。いつか見学しに行きたいと思っています。

ロケットはどれぐらいの重量を打ち上げられるのか？

　実は宇宙ロケットは非常に効率の悪い乗り物です。地上から打ち上げたロケットが地球の引力を振り切って宇宙空間に脱出するためには毎秒１1.2 km（40,320 km/h = マッハ33）の速度が必要となります。ロケットがこの速度を出すためには膨大な推進力を必要とします。

　ロケットの推進力を大きくするためには燃焼ガスの噴射速度を大きくする必要があるため、大量の燃料を必要とします。そのため、普通のロケットは総質量のほとんどを燃料が占めています。H-IIBロケットの場合、総質量531トンに対して86％の458.2トンが燃料となります。

　ロケットが運べる貨物の質量をペイロードといいます。H-IIBロケットのペイロードは人工衛星を打ち上げるのに必要な高度で8トン（高度36,000 km以上）から19トン（高度350～1,400 km）です。打ち上げの時のH-IIBの総重量は531トン＋ペイロードとなります。

　ISSは高度約400 kmの起動を回っています。「こうのとり（HTV）」は全長9.8 m、直径4.4 mの円筒形をしています。質量は補給品を搭載していない状態で10.5トンで、積載可能最大質量は6トンです。高度350〜460 kmまでの軌道に対応しています。実際には棚など内部に設置されている構造物の質量を除いた輸送能力は4トンぐらいのようです。

　積載可能な質量まで満載したHTVを搭載したエンジンを点火する前のH-IIBの総質量は531トン＋16.5トン＝537.5トンぐらいになります。

H-IIIロケットとHTV-X

　H-IIBロケットの後継はH-III(H3)ロケットとなり、2020年ど後半に試験機の１号機が打ち上げを予定しているようです。H-IIIロケットは世界のロケット市場で活躍できるように、柔軟性、高信頼性、低価格を実現し、使いやすいロケットとなることをめざしています。

　一方のHTVの後継はHTV-Xとなり、21年度以降に運用開始となる予定です。HTVはISSのロボットアームでISSとドッキングするようになっていますが、HTV-Xは自動ドッキング機能を備えています。これにより、米国NASAが計画している月周回宇宙ステーションにもドッキングできるようになります。

　ペイロードを含まないH-IIIロケットの総質量は571トン、HTV-Xの棚など内部に設置されている構造物を除いた輸送力は5.85トンになるようです。

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