SpaceX スターシップの設計史

2018年にスターシップの設計に落ち着く前に、スペースXは再利用可能な超重量級打ち上げ機の提案をいくつか相次いで発表した。[ 1 ] [ 2 ]これらの予備的な宇宙船の設計は、さまざまな名前で知られていた（火星コロニアルトランスポーター、惑星間輸送システム、BFR）。

2005年11月、[ 3 ] SpaceXが最初のロケットであるFalcon 1を打ち上げる前に、[ 4 ] CEOのイーロン・マスクは、100 t（220,000ポンド）を低地球軌道に打ち上げることができるBFRと呼ばれる大容量ロケットのコンセプトについて初めて言及しました。[ 3 ] 2012年後半、イーロン・マスクは、既存のFalcon 9の能力を上回るロケットを開発する計画を初めて公表しました。[ 5 ] SpaceXは、このロケットが人類を火星に輸送し戻ってくるため、このロケットをMars Colonial Transporterと呼びました。[ 6 ] 2016年に、このロケットが火星を超えて移動することも計画されていたため、名前はInterplanetary Transport Systemに変更されました。[ 7 ]設計では炭素繊維構造が求められ、[ 8 ]燃料満載時の質量は10,000 t（22,000,000 lb）を超え、低地球軌道へのペイロードは300 t（660,000 lb）で、完全に再利用可能であった。[ 8 ] 2017年までに、このコンセプトは一時的にBFRと改名された。[ 9 ]

2018年12月、構造材料が炭素複合材[ 10 ] [ 8 ]からステンレス鋼[ 11 ] [ 12 ]に変更され、スターシップの初期設計コンセプトからの移行が示されました。[ 11 ] [ 13 ] [ 14 ]マスク氏は設計変更の理由として、低コスト、製造の容易さ、極低温でのステンレス鋼の強度向上、高温への耐性など、多くの理由を挙げました。[ 15 ] [ 13 ] 2019年に、スペースXは車両全体をスターシップと呼び始め、第2段はスターシップ、ブースターはスーパーヘビーと呼ばれました。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]また、スターシップはスペースシャトルと同様の再利用可能な熱シールドタイルを使用することを発表しました。[ 19 ] [ 20 3つは海面用に最適化され、3つは真空用に最適化されている。[ 21 ] [ 22 ] 2019年にSpaceXは第2段の設計変更を発表し、重量を減らすために後方フラップの数を3つから2つに減らした。[ 23 ] 2020年3月、SpaceXはStarshipユーザーガイドをリリースし、その中でStarshipの低地球軌道（LEO）へのペイロードは100 t（220,000ポンド）を超え、静止トランスファー軌道（GTO）へのペイロードは21 t（46,000ポンド）であると述べた。[ 24 ]

初期の大型ロケットコンセプト

2005年11月[ 3 ] 、SpaceXが最初のロケットであるファルコン1を打ち上げる前に[ 4 ] 、 CEOのイーロン・マスクはBFRと呼ばれる長期的かつ大容量のロケットコンセプトについて初めて言及しました。BFRは100トン（22万ポンド）を低軌道に打ち上げることができ、マーリン2エンジンを搭載する予定でした。マーリン2は、ファルコン9で使用されていたマーリンエンジンの直系であり、サターンVで使用されていたF-1エンジンに匹敵するスケールアップされた再生冷却エンジンと説明されていました。[ 3 ]

2010年7月、[ 25 ]ファルコン1の最後の打ち上げから1年後、 [ 26 ]スペースXは会議で打ち上げ機と火星宇宙タグのコンセプトを発表しました。打ち上げ機のコンセプトはファルコンX（後にファルコン9と改名）、ファルコンXヘビー（後にファルコンヘビーと改名）、ファルコンXX（後にスターシップと改名）と呼ばれ、最大のものはファルコンXXで、低地球軌道への積載量は140トンでした。このペイロードを運ぶには、ロケットはサターンVと同じくらいの高さになり、6基の強力なマーリン2エンジンを使用する予定でした。[ 25 ]

マーズ・コロニアル・トランスポーター

2012年10月、同社はスペースXの既存のファルコン9よりも大幅に優れた能力を持つ、完全に再利用可能なロケットシステムを開発する計画を初めて公表しました。[ 27 ] 2012年後半、[ 28 ]同社はマーズ・コロニアル・トランスポーターロケットのコンセプトを初めて公表しました。このロケットは100人または100トン（22万ポンド）の貨物を火星に運ぶことができ、メタン燃料のラプターエンジンを搭載する予定でした。[ 29 ]マスク氏はこの新しい打ち上げロケットを「MCT」という未特定の頭字語で呼んでいましたが、[ 27 ]これは2013年に「マーズ・コロニアル・トランスポーター」の略であることが明らかになり、[ 30 ]同社の火星システムアーキテクチャに役立つものとなりました[ 31 ] SpaceXのCOOグウィン・ショットウェルは、計画されているロケットの低地球軌道への潜在的なペイロード範囲を150〜200トンとした。 [ 27 ]火星ミッションでは、宇宙船は最大100トン（22万ポンド）の乗客と貨物を運ぶ。[ 32 ] SpaceXのエンジン開発責任者トム・ミューラーによると、SpaceXは単一のMCTブースターまたは宇宙船に9基のラプターエンジンを使用できるとのこと。 [ 33 ] [ 34 ]予備設計では直径が少なくとも10メートル（33フィート）で、最大3つのコア、合計で少なくとも27基のブースターエンジンを持つことが予想された。[ 31 ]

惑星間輸送システム

飛行中の白い洗練されたロケット
SpaceXによる2016年の惑星間輸送システムの図解

2016年、火星コロニアル・トランスポーター・システムは、他の目的地への輸送能力が備わっていることから、惑星間輸送システム（ITS ）に名称が変更されました。 [ 35 ]さらに、イーロン・マスクは宇宙ミッションのアーキテクチャ、打ち上げ機、宇宙船、そしてラプターエンジンについてより詳細な情報を提供しました。ラプターエンジンの試験台での初発射試験は2016年9月に実施されました。[ 36 ] [ 37 ]

2016年9月26日、第67回国際宇宙会議の前日に、ラプターエンジンが初めて点火した。[ 38 ]このイベントで、マスクは、スペースXがラプターエンジンを使用した惑星間輸送システムと呼ばれる新しいロケットを開発していると発表した。これは、再利用可能なブースターと宇宙船の2段階で構成されます。各段階のタンクには炭素複合材が使用され、液体メタンと液体酸素が貯蔵されます。このロケットは、低地球軌道に300トン（660,000ポンド）の打ち上げ能力があるにもかかわらず、打ち上げ価格は低く抑えられると予想されていました。宇宙船には、乗組員、貨物、タンカーの3つのタイプがあり、タンカータイプは、軌道上の宇宙船に推進剤を移送するために使用されます。[ 39 ]このコンセプト、特にこのようなシステムを可能にするために必要な技術的偉業と必要な資金は、かなりの懐疑を集めました。[ 40 ]両段とも推進剤タンクの自己加圧を利用するため、ファルコン9の問題のある高圧ヘリウム加圧システムは不要となる。[ 41 ] [ 42 ] [ 36 ]

2016年10月、マスク氏は、炭素繊維プリプレグ製でシーリングライナーなしで製造された 最初のタンク試験体が極低温流体試験で良好な性能を示したことを明らかにした。設計破裂圧力の約3分の2での圧力試験は2016年11月に完了した。 [ 43 ] 2017年7月、マスク氏は、地球周回軌道および地球月周回軌道への打ち上げによる商業輸送をサポートするために、2016年以降、アーキテクチャ設計が進化していることを明らかにした。[ 44 ]

2016年、ITSブースターが発射台に戻る様子を描いたアーティストのコンセプトアート

ITSブースターは、直径12メートル（39フィート）、高さ77.5メートル（254フィート）の再使用可能な第1段で、42基のエンジンで駆動され、各エンジンは3,024キロニュートン（680,000ポンド）の推力を生み出すことになっていた。ブースターの総推力は打ち上げ時に128MN（29,000,000ポンド）で、真空状態では138MN（31,000,000ポンド）に増加する予定だった。[ 45 ]これは、サターンVの36MN（8,000,000ポンド）の推力の数倍である。[ 41 ]空の状態で重量は275トン（606,000ポンド）、推進剤を完全に充填すると6,700トン（14,800,000ポンド）になる。グリッドフィンはブースターを大気圏内で誘導し、正確な着陸を可能にする。[ 45 ]エンジン構成は、外側のリングに21基、内側のリングに14基のエンジンが配置されていた。中央の7基のエンジンクラスターはジンバル機構によって方向制御が可能で、固定エンジンとの差動推力によってある程度の方向制御も可能だった。各エンジンは定格推力の20～100%の間でスロットル制御が可能だった。[ 42 ]

設計目標は、発射台に垂直着陸するために、初期の推進剤の約7％を保持しながら、約8,650 km/h（5,370 mph）の分離速度を達成することだった。[ 42 ] [ 46 ]設計では、大気圏再突入時にブースターを誘導するためにグリッドフィンが求められた。[ 42 ]ブースターの帰還飛行では、主にITSの質量比と密度が低いため、ファルコン9よりも低い荷重に遭遇すると予想された。[ 47 ]ブースターは20  gの公称荷重で設計される予定だったが、おそらく30～40 gにもなるだろう 。[ 47 ]

スペースXのファルコン9で使用された着陸アプローチ（大きく平らなコンクリートパッドまたはダウンレンジフローティング着陸プラットフォーム）とは対照的に、ITSブースターは発射台自体に着陸し、すぐに燃料補給と再起動ができるように設計されることになっていた。[ 42 ]

土星の環の近くの軌道上にあるITS惑星間宇宙船の2016年のアーティストによる概念図

ITS第二段は、軌道到達のみに用いられるのではなく、長期宇宙飛行にも用いられることが計画されていた。提案された2つの派生型は再利用可能であることを目指していた。[ 41 ]最大幅は17メートル（56フィート）で、海面噴射用のラプターエンジン3基と真空噴射用に最適化された6基を搭載する。真空状態でのエンジン総推力は約31MN（7,000,000lbf）となる予定だった。[ 48 ]

ビッグ・ファルコン・ロケット

2018年、再設計されたBFR/スターシップのステージ分離時のアーティストによる想像図

2017年9月、第68回国際宇宙会議年次総会で、マスク氏は新しい打ち上げロケット「BFR」を発表した。名称は再び変更されたものの、仮称であると述べた。[ 9 ]この頭字語は、Big Falcon Rocket （ビッグ・ファルコン・ロケット）またはBig Fucking Rocket （ビッグ・ファッキング・ロケット）の略であるとも言われており、これはビデオゲームシリーズ「DOOM」に登場するBFG（Big Fucking Gun）を揶揄したものである。[ 32 ]マスク氏は、早ければ2022年には火星への最初の2回の貨物ミッションを実施すると予測しており、[ 50 ]将来の飛行のための「電力、採掘、生命維持インフラ」を整備しながら、「水資源を確認し、危険を特定する」ことを目標としている。その後、2024年には有人BFR宇宙船2機と、推進剤工場用の機器や物資を積載する貨物専用宇宙船2機の計4機が打ち上げられる予定である。[ 9 ]

この設計は、ペイロード質量、着陸能力、信頼性といった目標をバランスよく満たすものでした。当初の設計では、ラプターエンジンは6基（海面エンジン2基、真空エンジン4基）と、以前のITS設計の9基から削減されていました。[ 9 ]

2017年9月までに、ラプターは42回の試験サイクルで合計20分間の試験噴射を行った。最長試験は100秒で、これは燃料タンクのサイズによって制限された。試験エンジンは20  MPa（200 bar; 2,900 psi）で作動した。飛行エンジンは25  MPa （250 bar; 3,600 psi）を目指し、その後の反復で30 MPa （300 bar; 4,400 psi）を目指す予定 だった[ 9 ] 。 2017年11月、ショットウェルはBFRの開発作業の約半分がエンジンに集中していると述べた[ 51 ] 。

スペースXは、カリフォルニア州、テキサス州、ルイジアナ州、[ 52 ]およびフロリダ州に製造拠点を探しました。[ 53 ] 2017年9月までに、スペースXは打ち上げ機の部品の製造を開始しました。「メインタンクのツールは発注済みで、施設は建設中です。最初の船の建造は[2018年第2四半期に]開始する予定です。」[ 9 ]

2018年初頭までに、最初の炭素複合材試作船の建造が開始され、SpaceXはカリフォルニア州ロサンゼルス港に新しい生産施設の建設を開始しました。[ 54 ]

3月に、スペースXは港のシーサイドドライブにある新しい施設で打ち上げ用ロケットと宇宙船を製造すると発表した。[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] 5月までに、約40人のスペースX従業員がBFRに取り組んでいた。[ 52 ]スペースXは、打ち上げのために、打ち上げ用ロケットをはしけでパナマ運河経由でケープカナベラルに輸送する計画だった。[ 52 ]その後、同社はこれを行うための契約を終了した。

2018年8月、アメリカ空軍航空動軍司令官は、BFRが「C-5よりも安いコスト」で、30分以内に世界中のどこにでも最大150トン（33万ポンド）の貨物を輸送できる能力に興味を示した。[ 58 ] [ 59 ]

BFRは高さ106メートル（348フィート）、直径9メートル（30フィート）で、炭素複合材で作られるよう設​​計された。[ 50 ] [ 60 ]ビッグ・ファルコン・シップ（BFS）として知られる上段には、ピッチングとロールの制御用のスプリット・フラップを備えた後端の小さなデルタ翼が含まれていた。デルタ翼とスプリット・フラップは飛行範囲を拡張し、さまざまなペイロードでさまざまな大気密度（真空、希薄、または重大気）に着陸できると言われていた。[ 50 ] [ 9 ] : 18:05–19:25 BFSの設計には当初、真空用4基と海面用2基の計6基のラプターエンジンがあった。2017年後半までに、SpaceXは3基目の海面用エンジン（合計7基）を追加し、より多くの地球対地球ペイロードの着陸を可能にし、エンジンの1つが故障した場合でも機能を確保した。[ 61 ] [ a ]

BFSには3つのバージョン、すなわちBFS貨物、BFSタンカー、BFSクルーが開発されました。貨物バージョンは地球周回軌道への到達[ 50 ]に加え、月や火星への貨物輸送にも使用される予定でした。楕円軌道上で燃料補給を行った後、BFSは最終的に月面に着陸し、再度の燃料補給なしで地球に帰還できるように設計されました。[ 50 ] [ 9 ] : 31:50 BFRはまた、地球間輸送において乗客/貨物を輸送し、90分以内にどこにでもペイロードを届けることを目指していました。[ 50 ]

初期のスターシップ設計の変更

2018年12月、構造材料が炭素複合材[ 42 ] [ 41 ]からステンレス鋼[ 11 ] [ 12 ]に変更され、スターシップの初期の設計コンセプトからの移行が示されました。[ 11 ] [ 13 ] [ 14 ]マスク氏は設計変更の理由として、低コストで製造が容易であること、極低温でのステンレス鋼の強度が向上したこと、高熱に耐えられることなど、多くの理由を挙げました。[ 15 ] [ 13 ] 300シリーズの鋼が塑性変形に移行する高温により、スターシップの風下側に熱シールドは不要になり、はるかに高温の風上側は、燃料または水が二重壁のステンレス鋼の外皮の微細孔から滲み出し、蒸発によって熱を除去することで冷却されます。 2019年に液体冷却された風上側は、スペースシャトルと同様の再利用可能な熱シールドタイルを使用するように変更されました。[ 19 ] [ 20 ]

2019年、スペースXは宇宙船全体をスターシップと呼び始め、第2段をスターシップ、ブースターをスーパーヘビーと呼んだ。[ 16 ] [ 17 ] [ 62 ] [ 63 ] 2019年9月、マスク氏はスターシップの開発に関するイベントを開催し、下段ブースター、上段の降下制御方法、熱シールド、軌道燃料補給能力、火星以外の潜在的な目的地についてさらに詳しく説明した。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]

設計の年月を経て、第2段の海面エンジンと真空エンジンの比率は大幅に変化した。2019年までに、第2段の設計は6基のラプターエンジンに落ち着いた。3基は海面用に最適化され、残りの3基は真空用に最適化された。[ 21 ] [ 22 ]重量を減らすために、第2段の後方フラップは3つから2つに減らされた。[ 23 ] 2019年後半、マスクはスターシップの質量が120,000 kg (260,000 lb)で、当初は100,000 kg (220,000 lb)のペイロードを輸送でき、時間の経過とともに150,000 kg (330,000 lb)に増加できると予想されると述べた。マスクは、250トンを低軌道に投入できる使い捨て型を示唆した。[ 64 ]

SpaceXが提案しているスターシップの将来的な用途の一つは、地球上のどこへでも1時間以内に移動できる2地点間飛行（SpaceXでは「地球から地球」飛行と呼んでいる）である。 [ 65 ] 2017年、SpaceXの社長兼最高執行責任者であるグウィン・ショットウェルは、乗客を乗せた2地点間移動は、従来のビジネスクラスのフライトとコスト競争力を持つ可能性があると述べた。[ 66 ]宇宙政策と歴史の学者であるジョン・ログスドンは、この方法で乗客を輸送するという考えは「極めて非現実的」だと述べた。なぜなら、宇宙船は無重力状態から5Gの加速状態までを切り替えなければならないからだ。[ 67 ]彼はまた、「マスクはこれらすべてを『野心的』と呼んでいるが、これはおそらく達成不可能であることを意味する巧妙な隠語だ」とコメントした。[ 67 ]

こちらも参照

注記

  1. ^「エンジンの1つが故障しても能力は確保される」とは、出典が「エンジン停止能力」と表現している意味です

参考文献

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