スターシップ (宇宙船)
2段目: スターシップ 1段目: スーパーヘビー
スターシップ (Starship) システムは、スペースXが開発中の完全再使用型の二段式超大型ロケットである。 システムは、スーパーヘビーと名付けられた第1段のブースターと、スターシップと呼ばれる第2段で構成されている。従来の第2段と比較すると珍しく、スターシップ第2段は長期滞在型の貨物・乗客運搬宇宙船として設計されている 。 スターシップは、第2段と宇宙空間での長期滞在型軌道上宇宙船の両方の役割を果たすことになる。
2012年にエンジン開発が開始され、2016年に自己資金による民間宇宙飛行プロジェクトとして宇宙船開発が開始された。2段目のスターシップのテストは2019年に開始され、打ち上げと着陸を証明し、特にロケットの大気圏再突入に関して、様々なデザインの詳細を繰り返し検討するための大規模な開発プログラムの一環として行われた。最初の試作機は、2019年から2020年にかけて、垂直方向の打ち上げと着陸の低高度・低速度の飛行試験を行った。2020年12月9日、スターシップ・プロトタイプSN8は初の高高度テスト飛行を行い、大気圏再突入プロファイルの大部分を大気圏低層で実証した。不時着により試作機が爆発したものの、スペースX社はこのテストを成功と判断した。スターシップの試作機はこれまでにも多数製作されており、設計の繰り返しが進むにつれて、さらに多くの試作機が製作されている。すべてのテスト機は、直径9m(30フィート)のステンレススチール製の船体を備えている。
2019年6月、SpaceX社は、早ければ2021年にスターシップを使用して商業ペイロードを打ち上げる可能性があることを示した。2020年4月、NASAはアルテミス計画の10カ月間の初期設計段階で資金提供を受ける3つの月着陸システム設計コンセプト候補の1つとして、改良型の有人規格のスターシップシステムを選択した。2021年3月現在、スペースX社はスターシップのプロトタイプで高度10km(33,000フィート)までの大気圏飛行を行っている。2021年4月、スターシップはNASAによって人類を月に再び着陸させるために選ばれた。
スペースXのCEOイーロン・マスクは、かねてより彼の個人的な目標は有人火星探査の実現であると語ってきた。マスクが2001年にMars Oasis計画のロケット調達に失敗して、自身でスペースXを創業した際も、「生命を惑星間種族にする」との目標が掲げられていた。有人火星探査という目標は次第に火星の植民へと変わっていき、そのためには超大型ロケットが必須であることが明らかになっていった。
2012年3月には、スターシップのロケットエンジンであるラプターの開発が報じられるが、その時点では使用するロケットについては語られなかった。同年10月になり、マスクは初めて、数十億ドルをかけて既存のファルコン9/ファルコンヘビーを上回る大型で再使用可能なロケットを開発することを計画していると明らかにした。マスクは2013年にも「スペースXのIPOはマーズ・コロニアル・トランスポーターが定期的に運航してから」というコメントを残している。しかしその後は2015年6月のファルコン9の打ち上げ失敗の影響により、計画は一時影を潜める形となった。
2016年9月の第67回国際宇宙会議 (IAC) において、マスクは開発中の超大型ロケットの詳細を始めて明らかにした。この時に公開されたアーキテクチャはインタープラネタリー・トランスポート・システム (ITS) と呼ばれており、発表では直径12mの超大型ロケットであることの他、エンジン数や打ち上げ能力、さらに軌道上での燃料補給を行うといった計画も明らかにされた。2016年の計画では、以下の3種類の機体を用いるとされた。
ITSブースター: 再使用可能な1段目。
ITS宇宙船: 再使用可能な2段目。長期に亘る惑星間飛行も実現する。
ITSタンカー: 燃料輸送に特化した2段目の別バージョン。地球軌道上での燃料補給を実現する。
だが、翌2017年9月の第68回国際宇宙会議では、スペースXは前年のITSを見直したとして、BFRの名で更新されたロケットを公開した。マスクはこの名称について「我々はまだ正式な名前を探している、しかしコードネームはBFRである」と語った。この2017年の設計では直径は9mへと縮小され、またロケットを最初は地球軌道と月軌道に使用し、その後に火星へと用いる方針が示された。
BFRの2段目 (BFS) の航空力学的な形状は2016年のITSから大きく変更された。2017年の設計では、宇宙船は後部に小さなデルタ翼を持つ円筒状の形に改められた。このデルタ翼は、様々な大気密度やペイロード状態で着陸を実現するためのものとされた。また、2段目の種類もITS同様のBFR宇宙船、BFRタンカーに加えて、新たに衛星打ち上げに対応するバージョンが追加された。衛星打ち上げ機は、地球低軌道への衛星打ち上げ(既存のロケットと比べ、一度に遥かに多くの衛星を打ち上げ可能)に対応する他、月や火星への物資輸送にも対応する。またBFR宇宙船は地球軌道上で燃料補給を受ければ、月面着陸をして再補給無しで地球に帰還できることも明らかにされた。加えて、BFRを地球上での旅客/貨物輸送に用いることで、地球上のどこでも90分間で結ぶことができるという用途もここで示された。
2018年9月にはスペースX本社で発表が行われ、さらに更新された設計が公開された。2018年の設計では、BFSのエンジンが6基から7基となった他、前方両側に小さなカナードが、さらに後方に着陸脚を兼ねた3枚の大きな翼が追加された。 さらにBFRによる民間初の月周回旅行の契約を日本の前澤友作と締結したことも明らかにした。
次いで2018年11月には、2段目の宇宙船部分をスターシップ、1段目のブースター部分をスーパー・ヘビーの名称とすることを発表。また機体の素材がカーボンからステンレス鋼へと変更され、外見がこれまでの白い姿から銀色に変化した。翌2019年1月にはスターホッパーと呼ばれる最初の試験機が完成し、8月には高度150mの飛行と着陸に成功した。9月には新たな試験機スターシップMk1が公開され、さらに高高度の飛行試験が予定された。同時に設計にさらなる変更が加えられ、後方の翼は2枚になるとともに着陸脚機能が削除され、また前方のカナードはより大型化した。さらに、全ての翼が可動式となり、大気圏内飛行中に姿勢制御のために使用されることになった。
しかし、同年11月20日にスターシップMk1はテキサス州ボカチカのスペースX社試験施設での燃料タンクの加圧テスト中、破裂して失われた。同社はこのテストがシステムを最大限に加圧するものであったと発表し、テストの失敗は全くの想定外ではなかったと主張した。その後、スペースX社は予定していた次の試験機スターシップMk2の製造を中止し、スターシップSN1と改名したスターシップMk3の設計の改良と製造に注力することとした。マスクはツイッター上でユーザーからの質問に答える形で「スターシップの完成までには少なくともスターシップSN20までの機体が必要になるだろう」と述べた。
2020年2月29日、スターシップSN1は燃料タンクの加圧テスト中に破裂して失われた。その後もSN2、SN3と立て続けに同一のテストに失敗していたが、4月26日のスターシップSN4にて初めて加圧テストに成功した。SN4では高度150mの試験飛行も行われる予定だったが、5月29日にラプターエンジンを搭載しての燃焼試験中に爆発し、機体は失われた。
2020年8月4日、スターシップSN5が高度150mの飛行試験に成功した。実物大の機体として飛行に成功したのはこれが初である。続くSN6も同様の飛行試験をした。SN7は燃料タンクの極低温試験のみに従事し、タンク壁の厚みが異なるSN7.1と7.2が製造され、のちにスクラップとなった。12月10日にはノーズコーンと翼を搭載した完全な姿のスターシップSN8が、高度12.5kmの初の高高度飛行試験を行い、打ち上げから再突入までの試験に成功した(着陸は燃料タンクの減圧により失敗)。SN9も同様だったが(エンジン1基が再点火に失敗)、2021年3月4日のSN10では高高度飛行試験からの着陸にも成功した(ただし厳密に言うと、想定されていたより着陸時の速度が速く、衝撃が強かったためメタン漏れが発生し、着陸後8分で爆発した)。3月30日、霧の中で4回目の高高度飛行試験機であるスターシップSN11が飛行した。SN11は配管の問題でエンジン再点火時に2番エンジン燃焼室で火災を発生させ、最終的には機体の空中爆発・分解を起こした。イーロンマスク氏はスターシップSN11に続くSN12/13/14は製造をキャンセルし、代わりに機体、エンジン、アヴィオニクス全般の設計を改良したSN15以降の試験機の製造及びテストに専念するとした。高高度試験機としては「後期型」と呼べるSN15は2021年5月6日に飛行し、初めて軟着陸に成功した。
スペースXが同社の超大型ロケットを指し示す呼称は、数年の間に幾度も変遷している。2013年から2016年9月頭までは、スペースXはアーキテクチャとロケットの双方についてマーズ・コロニアル・トランスポーターの名で言及していた。2016年9月から2017年8月までは、打ち上げシステム全体をインタープラネタリー・トランスポート・システムと呼び、打ち上げ機自体についてはITSローンチ・ヴィークルの名で言及していた。
次のコードネームであるBFRは2017年9月のイーロン・マスクの発表で初めて用いられた。スペースXの社長であるグウィン・ショットウエルは、BFRは「Big Falcon Rocket」の略であると述べている。しかしながら、イーロン・マスクは正式発表前の2015年に、開発中のロケットをBFRと呼んでおりこれはビデオゲーム『DOOM』の巨大武器BFGに由来すると語っている。その他、非公式な場やスペースX内部ではBFRは「Big Fucking Rocket」としても言及されている。なお、2段目の宇宙船部分のみを指す場合は、BFSの名が用いられる。
さらに2018年11月には、2段目の宇宙船部分がスターシップ、1段目のブースター部分がスーパー・ヘビーへと改名されている。改名は、イーロン・マスク本人がアナウンスしている。
スターシップ/スーパー・ヘビーの設計は低軌道 (LEO) だけでなく、より長距離の地球軌道外 (BEO) の飛行にも対応するよう計画されている。そのため、LEOとBEO双方のミッションへの輸送を共通の機体で行うことで打ち上げコストを減らすことが出来るとスペースXは期待している。既存のLEOへの打ち上げ市場にも対応することで、スペースXの開発リソースの大半をスターシップ/スーパー・ヘビーの開発に集中させることを可能としている。
完全に再使用可能な超大型ロケットであるスターシップ/スーパー・ヘビーには、以下が含まれる。
スーパー・ヘビー: 再使用可能な1段目。
スターシップ: 再使用可能な2段目。ペイロード区画と統合されており、用途に応じて以下の3種類がある。
宇宙船: 有人宇宙飛行に対応したバージョン。人員や物資をLEOに届ける他、長期に亘る惑星間飛行も実現する。地球上での遠隔地輸送も可能。
タンカー: 燃料輸送に特化したバージョン。地球軌道上での燃料補給を実現するためのもので、これにより宇宙船は自身の燃料をLEOへの打ち上げに使った後、さらに惑星間飛行のための燃料を確保することができる。
衛星打ち上げ機: 衛星打ち上げに特化したバージョン。巨大なカーゴベイドアを備える。
月着陸船: の人員着陸システム(HLS)の一つに選定されたバージョン。着陸時に月面の瓦礫をエンジン噴射で巻き上げないように逆噴射スラスタは機体中頃に付いている。再突入の機能はなく、機体は白色に塗装され可動フラップは省かれている。
長期の宇宙飛行のために複数の2段目を組み合わせるという独特なアーキテクチャを採用している。このアーキテクチャの成功は、軌道上での燃料補給の成否にかかっている。
宇宙船とタンカー、衛星打ち上げ機は、ほぼ同じ外見形状を持つ。2段目の宇宙船は、いずれも発射地点への帰還能力を備える。帰還時は、万が一複数のエンジンが停止しても、1基のエンジンが使用可能であれば着陸可能となる。
スターシップのシステムには、火星ミッションにおける火星上での燃料生成も含まれている。これは宇宙船を地球に帰還させるために、また宇宙船を再使用してコストを抑えるために欠かせないものである。月ミッション(軌道周回・着陸)においては、月での燃料補給は必須ではない。この場合は、月に向かう前に軌道上で燃料補給を行うことで帰還が可能である。 また、月へのフライバイミッションにおいては、燃料補給なしでの飛行も可能である (dearMoon)。
スターシップ/スーパー・ヘビーの主な特徴としては以下があげられる。
1/2段目ともに完全に再使用可能である。
1段目は発射地点に帰還する。2段目も発射地点付近に帰還する能力を持つ。1/2段目ともにエンジンの逆噴射による垂直着陸を行う。
エンジン停止への耐性から、着陸の信頼性は「航空機レベル」になる。
自動ランデブーとドッキングを行う。
タンカーから宇宙船へ軌道上での燃料補給を行う。
軌道上での燃料補給により、月遷移軌道や火星遷移軌道への到達能力を持つ。
再使用可能な耐熱シールドを備える。
宇宙船は1000 もの与圧空間を持ち、40のキャビンや大きな共有エリア、中央ストレージ、調理室、さらに太陽嵐から乗員を守るためのシェルターなどを備えることができる。
ラプターの燃焼室圧は25MPaであったが、ラプター 2では30MPaまで向上させている。ラプターは1つ1つのエンジンの信頼性も高めるよう設計されているが、スターシップでは6基のエンジンを搭載することで万が一のエンジン停止においても、冗長性を保てるようになっている。もし2基のエンジンが停止しても安全に飛行可能であり、4基のエンジンが停止しても残りのエンジンで帰還が可能となる。これにより、航空機並みの着陸信頼性を実現するとしている。ラプター 2は、25%以上強力な設計で、性能と信頼性を向上させている。
スターシップ/スーパー・ヘビーはスペースXの既存のファルコン9とファルコンヘビーロケット、それにドラゴン宇宙船を置き換えるものとして設計されている。スペースXの見積もりでは、スターシップ/スーパー・ヘビーでは完全再使用と発射地点への帰還が実現することから、打ち上げ費用はこれら既存の中型/大型ロケットよりも安くなり、それどころか既に引退した小型ロケットのファルコン1よりも安くなると推定している。スペースXは既存のロケットを2020年代前半にもスターシップ/スーパー・ヘビーで完全に置き換えたいとしている。
スターシップ/スーパー・ヘビーの用途としては、以下のような様々なものが計画されている。
従来からの地球軌道への衛星打ち上げ。
月周辺への長期間のフライト。
火星への物資・人員の輸送。
外惑星領域への宇宙飛行士による長期フライト。
地球上での旅客を乗せた長距離輸送。
マスクとショットウエルは、スターシップを準軌道飛行に用いることで、乗客を地球上のどの2地点間でも1時間以下で運ぶことができるとしている。
2018年9月、スペースXはスターシップによる民間初の月周回旅行の契約を結んだことを明らかにした。契約をしたのは日本の前澤友作で、前澤が招待する6~8名のアーティストとともに2023年に月に向かう。月旅行の日程は6日程度を想定している。
マスクは火星に有人基地を建設することを計画しており、将来的にはそれが自給自足可能な入植地となることを夢見ている。その一方で、マスクは火星の入植地が自己持続可能な状態になるまでは生きられないだろうとも述べている。
スターシップは再使用可能であるので、マスクは地球低軌道でスターシップに燃料補給を行い、さらに火星表面で再び燃料補給を行い、地球に帰還させることを計画している。火星ミッションの第1段階において、マスクは複数のスターシップを打ち上げ、燃料工場を輸送し組み立てるとともに、基地を建設することを考えている。 燃料工場では火星の地下の氷と大気中の二酸化炭素から、メタン (CH4) と液体酸素 (O2) を生産する。
最初の2機の無人貨物飛行(そのうち1機はHeart of Goldと命名されるかもしれない)は2022年の打ち上げが計画されており、この飛行では大量の太陽電池パネル、採掘用装置、それに探査車や後の有人探査のための食糧や生命維持装置などが送り込まれる。次の2024年の打ち上げでは、2機の無人船に加えて2機の有人船の計4機が一度に送り込まれ、燃料工場や太陽電池パネル、着陸場、温室の設営が行われる。各スターシップはそれぞれ少なくとも100トンのペイロードを搭載しており、宇宙船自体の乾燥重量も85トンにもなる。
火星での最初の一時的な居住地には、乗員が乗ってきたスターシップをそのまま使用する。一方で無人のスターシップは、燃料の補給が完了次第、地球に向けて帰還することになる。今後の着陸地点となる持続可能な基地を構築する場所は、太陽電池の発電力を確保するため、また相対的に暖かいことから緯度40°以内が望ましく、また特に重要な条件として近くに地下の氷が存在することがある。氷は大量で純度が高い水の氷である必要がある。スペースXによる研究では、燃料工場では地下の氷を採掘し、1日1トンの不純物を取り除く必要があると推定している。研究中のシステムでは、700Wの電力を使用して1日1kgのO2/CH4燃料が生成される計画である。システム全体としては、1トンの燃料当り17MWhの電力が必要になる見込みである。
しかし火星入植計画には、こうした物理的な問題以外にも、長期にわたる宇宙飛行での放射線や無重力、それに地球の38%の重力しかない火星での生活が人体に与える影響などが、大きな課題として残されている。
スターシップは、NASAが2020年代に予定している有人月探査のアルテミス計画において、月着陸船として用いることも提案されている。この計画では、宇宙飛行士はNASAのオリオン宇宙船で月周回軌道まで飛行して、そこでスターシップに乗り換え、月面への離着陸にのみスターシップを用いる。月面での運用に特化するため、翼は持たず、またレゴリスを巻き上げないように離着陸用エンジンが機体上部に追加される。NASAは2020年5月、スペースXを月着陸船の開発を行う民間企業3社のうちの1社として選定した。
2021年4月17日、NASAはアルテミス計画で用いる月着陸船について、上記3社の中からスペースXを最終的に開発企業として選定したと発表した。契約総額は28.9億ドル。ただし、この契約はあくまでも月着陸船の開発援助に関するもので、実際の着陸船は改めて入札を行ったうえで決定するとしている。