2022-02-19(令和４年) 松尾芳郎
スペースXのCEOイーロン・マスク氏は、スターシップとスーパーヘビー・ブースターの開発状況について最新の情報を説明した。2月10日テキサス州ボカチカのスペースX社の「スターベース施設(Starbase facility in Boca Chica, Texas)」で組立完了したスターシップ/スーパーヘビーの前で行われた。これによると、現在FAAを含む監督官庁の発射承認を待っている状態で、許可が下りれば数カ月以内に打上げるという。
(SpaceX CEO Elon Musk updated how the development of the Starship and Superheavy is going. During a presentation at the SpaceX Starbase in Boca Chica, Texas, Musk showed off a fully stacked Starship and Superheavy. SpaceX is waiting on approval from the FAA to give them the green light to launch the spacecraft in the next few months.)
マスク氏は説明で、改良した新エンジン「ラプター2」の完成を急いでいる、フロリダ州ケープカナベラル(Cape Canaveral, Florida)に第２の「スターベース」を設置する、と述べた。説明会には同社の従業員と多数の報道関係者が詰めかけ、完成した巨大な発射タワーを見上げながら、話に聞き入った。発射タワーは、スターシップの打上げだけでなく帰還するロケットをアームで捕らえ静かに着地、回収する機能も備えている。
図１：（SpaceX）ボカチカの「スターベース」に完成した発射タワーと組立完了したスターシップ・スーパーヘビー。「スーパヘビー」は4号機、「スターシップ」は20号機の組合せなので、マスク氏は「スターシップ420」と呼んでいる。
図２：(SpaceX) 「スターシップ・システム」の構成。「スーパー・ヘビー」はラプター・エンジン33基を備え「スターシップ」を地球周回軌道に打上げ、分離後地上に帰還する。「スターシップ」は9基のラプター・エンジンを備えミッションを遂行する。「スターシップ」の裏面は耐熱性の高いヒートシールドで覆われている。いずれも再使用可能。
マスク氏講演の概要；―
マスク氏が考えている火星への人類の移住構想の中で、スターシップは中核的なプロジェクトだ。すなわち、スターシップとは別に、スペースXは地球周回軌道に数千個の衛星を打上げ「スターリンク(Starlink)広帯域通信網」を設定中だが、これから得られる収入は火星探査に注ぎ込まれると云う。
マスク氏は、FAA(連邦航空局)によるスターシップ・スーパーヘビー打上げ認可は2月28日に出ると予想している。認可の是非は、打上げ時に生じるテキサス州沿岸の環境に及ぼす影響の大きさで判断される。マスク氏は「ロケット打上げで生じる環境への影響は許容できる範囲だ。アメリカは訴訟社会なので監督官庁が慎重になるのは理解できる」と言っている。承認されれば3月または4月に打上げる。
最新の報道(SPACE.com Feb. 14, 2022)では、FAAは最終決定を３月28日に延期すると発表した。
スペースXは、不許可になった場合に備えケープカナベラル(Cape Canaveral, Florida)のケネデイ宇宙センター第39A号発射台に、２基目となるスターシップ発射タワーを建設中だ。ここはすでに環境問題に関わる関係官庁の認可を得ているので問題はない。ボカチカで発射が不許可になった場合は、ケネデイ宇宙センターから打上げる事になるが、発射タワーの完成と準備のため、ここからの打上げは6~8ヶ月後になりそうだ。
去年10月の説明では、スターシップ軌道打上げは今年1月の予定と言っていた。しかしこの計画はFAA承認の遅れと技術上の遅れ、すなわち「ラプター２」エンジンの試運転中の破損を含む、で今回の多少歯切れの悪い発言となっている。
将来的にはフロリダの施設がスターシップ打上げの主力になり、テキサスの施設は主として研究・開発に使われる。そしてこれらを補完するために、洋上発射台用として2隻のオイル・リグ(oil rig)を購入し、改造中である。
「ケープカナベラルの39号発射台と洋上発射リグのうち1隻は、今年中に使えるようになる」とマスク氏は言っている。
最初の軌道打上げでは、打上げ後スーパーヘビーは３分間燃焼してエンジンを停止、10秒後にスターシップを分離する。スターシップはそれから３または６基のエンジンを６分ほど噴射し軌道速度近くまで加速する。しかし最初の試験飛行は軌道飛行ではなく軌道に達する弾道飛行にする予定なのでそのまま帰還することになる。
スターシップ、スーパーヘビーの両者を一体としたシステムとしての打上能力は、地球周回軌道に100~150 tonの重量を乗せることができる。地球周回軌道の外側、月や火星、に飛行する場合は、タンカー型のスターシップから燃料「メタン＋酸素」の給油を受けることで航行する。
スターシップおよびスーパーヘビーは、スペースXのファルコン(Falcon)ロケットと同じく自身で飛行し地上に安全に戻れるように作ってある。唯一の違いは、スターシップ・システムの中に「発射タワー」がある事だ。、発射タワー上には、帰還するスターシップ/スーパーヘビーを捕捉、安全に着地させるための回転装置付きのロボット・アームが追加されている。発射タワーの捕捉用ロボット・アームは、システム上極めて重要で “ Stage Zero” と呼ばれている。このアームは別名” chopstick /お箸“と名付け、今回、スーパーヘビーの上にスターシップを吊り上げ乗せる作業に初めて使われた。
マスク氏の構想は、スターシップ・システムは、定期便の旅客機と同じように着陸してから１時間程度で再び出発できるようにすることで、１日当たり少なくとも３回出発できる体制を整えることである。こうなれば、１台のスターシップで年間10万トン以上の物資を軌道上に届けることができる。これでスターシップ１回の発射費用を10億円程度に抑えることも夢ではなくなる。火星への移住を考えると、そこで生命を維持するための空間/市街を作るには100万トンの資材を地球から運ぶ必要がある。
しかし、直ぐに火星移住に取りかかる訳ではない。スターシップが目指す最初の仕事は、無人で行う「スターリンク(Starlink)」衛星網の展開作業である。これで現在通信サービスの恩恵を受けていない僻地に生活する数十億の人々に通信の利便性を提供できる。
これらの無人スターシップで運用経験を積んでから有人飛行を開始する。その一つが、2023年を目標にする日本の億万長者前園勇作さんとその友人数名を乗せての月を周回し地球に戻る飛行。2025年には、月着陸用スターシップを開発、NASAの宇宙飛行士を乗せて月に着陸するアルテミス計画に参加、遂行することである。
スターシップの概要；―
度々紹介してきたが、スターシップの概要をまとめて見よう。
スターシップは高さ50 m、最初はメタン燃料の[ラプター1]推力185 tonを6基使い合計推力1,500 tonを得ていたが、20号機からは「ラプター２」推力230 tonの9基装備に改める。これで合計推力は2,000 ton以上になる。
図３：（SpaceX）「スターシップ」は高さ50 m、直径9 m、搭載燃料1,200 ton、合計推力1,500 ton、地球周回軌道へのペイロード打上げ能力100-150 ton。エンジンは「ラプター２(R2 =Raptor 2)」で、大気圏用を３基、真空用を6基、計９基を搭載する。
図４：（ SpaceX）「スターシップ」全体のほぼ半分、大気圏に再突入する際に摩擦熱を受ける部分、には無数の耐熱タイルを貼り「ヒートシールド」を構成している。これは世界最大の「ヒートシールド」で、フロリダの小企業「ザ・ベーカリー(the Bakery) が作っている。
図５：（SpaceX）「スターシップ」のエンジン取付部。中央に大気圏用の「ラプター２」を3基、外周に真空用「ラプター２」6基を装着する。真空用はノズルはスカートが大きく直径2.4 m、大気圏用は小さくて直径1.3 m。
スーパーヘビー・ブースターは高さ69 m、スターベースの発射台上に据え付けた4号機は[ラプター2] を33基にして合計推力7,590 tonを出す。これまで試作したスーパーヘビーは[ラプター１] を29基だった。
図６：(SpaceX) スーパーヘビーは高さ69 m、直径9 m、搭載燃料3,400 ton、合計推力7,590 ton。
図７：(SpaceX)「スーパーヘビー」のエンジン取付部。33基の「ラプター２」は全て大気圏用エンジンでノズルスカートが小さい直径1.3 mのタイプ。
図７A：(SpaceX) 「スーパーヘビー」４号機のエンジン取付け部を横から見たところ。
「ラプター(Raptor)」エンジン；―
「ラプター」は、スペースXがスターシップ・システムに使うために開発した「フルフロー２段燃焼サイクル(Full-flow staged-combustion-cycle)」のロケット・エンジンである。
「ラプター」は燃料に、極超低温の「液体酸素(LOX)/-183℃」と「液体メタン(CH4)/-183℃」を使う。メタンは低コスト、燃焼排気中の煤が[RP-1]に比べてずっと少なく、エンジンを再使用する場合の整備が容易になる。さらにメタンは、将来月や火星で“現地調達”ができる、など利点が多い。
ロケットに使われる燃料「RP-1 (ケロシン)」、「メタン(CH4)」、「水素」の３種を比較して見よう（図８を参照）。
密度：RP-1は１リットル当たり813 gr、水素の70 grの11倍の密度がある。従って水素タンクははるかに大きくなる。スペースXの「ファルコン9(Falcon 9 )」は、燃料としてRP-1/LOX を使っている。「デルタIV （Delta IV）では燃料に液体水素H2/LOXを使っているが、その水素タンクはLOXタンクよりずっと大きい。この比較でわかる。メタン(CH4)は酸素タンクとほぼ同じサイズのタンクで間に合う。
酸化剤対燃料の比：RP-1は2.7 grの酸素で燃焼、水素の燃焼には６grの酸素が必要。
比推力：自動車の燃費に相当する値で単位は秒（second）、表の値は理論値で実際は多少少ない。RP-1では350秒、水素エンジンで465秒程度。メタン/ラプター2では360秒。
燃焼温度：ケルビン表示なので摂氏にするには273度を引けば良い。
沸点：液体が気体になる温度、これが高いと燃料タンクが簡単になる。断熱材も少なくて済む。RP-1は260 ℃に加熱しないと気化しない。水素は絶対零度に近い20 K。メタンはその中間の111 K( -161.5℃)で液体酸素/LOXの [-183℃]とほぼ同じ。従ってタンク設計上の共通点が多い。
図８：(Everyday ASTRONAUT “Is SpaceXs Raptor engine the king of rocket engines?) ロケット燃料３種類の比較表。
図９：(Everyday ASTRONAUT “Is SpaceXs Raptor engine the king of rocket engines?) [Full flow Staged Combustion Cycle /フルフロー 2段燃焼サイクル]の簡略化図。燃料(CH4)・酸素(LOX)を燃焼室に送るポンプは「予燃焼室」のガスで駆動する。タービンを回した(fuel rich )ガスは全て燃焼室に送られ推力を出すので他のサイクルより効率が良い。
図１０：(Wikipedia)「フルフロー２段燃焼サイクル」のシステム図。燃料(CH４)は全て燃焼室ノズル・スカートの冷却に使われ、ガス化して「予燃焼室(pre-burner)」で燃焼する。従って「予燃焼室」内は、燃料(CH4)が多すぎて “fuel richの状態” になり一部しか使われず、大部分は「燃焼室」に送られここで燃焼する。[予燃焼室]をFuel Rich状態にすることで温度が下がり、タービンの寿命が長くなる。
極超低温の燃料全て使って燃焼室/ノズルを冷却する方式を「regenerative cooling」システムと呼んでいる。「フルフロー２段燃焼サイクル」はシステムが複雑で設計を最適化するのが難しく、多くのメーカーが諦めた。しかしスペースXが「ラプター」エンジンで初めて実用化に成功した。
「ラプター２」は「ラプター１」を改良した最新型で、ターボポンプ、ノズル・チャンバー、電子装備を再設計してある。ノズルチャンバーや配管の接合部分にあった多くのフランジを廃止して溶接結合に改め耐熱性を向上している。燃焼室/ノズル・チャンバーは、高温、高圧(800 bar / 12,000 psi)に耐える自社開発の超合金「SX500」で製造している。
「ラプター１」は推力185 tonだが「ラプター２」は推力230 tonを出す。ラプター２は現在マグレガー(McGregor, Texas)工場で試験中。ラプター２は推力増に成功したが、構造はずっと簡単になり、製造コストは半減した。
「ラプター２」の開発試験中に遭遇したトラブルは、ノズルチャンバーが溶融した問題。ノズルチャンバーは、原発で生じるgigawatt級の高温と330 bar（330気圧）の高圧に曝されるため冷却が必要。冷却は、大量の極超低温燃料(CH4)をチャンバー周囲に流して行うが、この方式を改良して問題が解決した。改良したエンジン２台の試験で、700秒および800秒の連続運転に成功し、またそれぞれ数回の再始動にも成功している。
「ラプター２」の製造と試運転は新設のマグレガー(McGregor, Texas)」工場で始まっている。生産は、2022年２月末までに毎週５基、同３月末には毎週７基とする予定。将来は年産500~1000基を目論んでいる。
図１１：(SpaceX) [ラプター2]の地上試験の様子。現在の「ラプター2」試験でピーク推力247 tonを達成済み。従って近く定格推力を250 tonに改める予定。
図１２：（SpaceX）左が「ラプター２ (R2)」、右が「ラプター１」。R2ではエンジン周りのケーブルやパイプ類がずっと少なくなっている。左R2の“５”は５号機であることを示す。
図１３：(SpaceX)左がR1、右がR２、ラプター2ではターボポンプが小型になり、配管が統合されている。（前図と位置が逆になっていることに注意）
終わりに
スペースX CEOのいーロン・マスク氏の話はいつも壮大で、聴衆を驚かせることが多かったが、今回は比較的控え目で、目新しいものは少なく、スターシップ打上げに向けて着実に準備が進んでいる事を伺わせた。改良した「ラプター２」エンジンを搭載した「スターシップ420」が今年４月にも打上げに成功する事を期待したい。
―以上―
本稿作成の参考にした主な記事次の通り。
- Universe Today / Fraser Cain February 11, 2022 “Elon Mask Takes the Long View on Glitzy Update on SpaceX’s Starship Super-Rocket” by Alen Boyle
- Space.com February 14, 2022 “FAA pushes back review of SpaceX’s Starship to March 28” by Mike Wall
- SpaceX February 10, 2022 YouTube “Starship Update” by Elon Musk
- Everyday ASTRONAUT /YouTube “Is SpaceXs Raptor engine the king of rocket engines?”