SpaceX、次世代宇宙船「スターシップ」の軌道飛行試験を2026年に開始

スペースX社のスターシップの最後の試験飛行から2週間が経過し、エンジニアらは熱シールドの問題を診断し、改善点を特定し、次回スターシップが宇宙に向かう際の予備計画を策定した。

製造と飛行の信頼性を担当するスペースXの幹部ビル・ガーステンマイヤー氏は、月曜日にクリーブランドで開催されたアメリカ宇宙学会のグレン宇宙技術シンポジウムで調査結果を発表した。

このロケットは8月26日、米墨国境のすぐ北に位置するテキサス州スターベースにあるスペースXの発射台から打ち上げられた。これは、スペースXのスーパーヘビーブースターとスターシップ上段ロケットの10回目のフルスケール試験飛行であり、これらを組み合わせることで世界最大のロケットが誕生する。

8月26日の試験飛行には、いくつかの包括的な目標がありました。SpaceXは、過去3回の試験飛行で問題となったスターシップの推進システムと燃料システムの問題を克服する必要がありました。そして、エンジニアたちは、再突入時に大気圏を進むスターシップの胴体を覆う数千枚のタイルからなる熱シールドに関するデータを渇望していました。

「物事は非常にうまくいきました」とゲルステンマイヤー氏は語った。

打ち上げから1時間強後、スターシップはオーストラリア北西部のインド洋に制御着水するために自力で着陸した。船は目標着水地点から3メートル（10フィート）以内に接近し、最終降下を記録するために配置された膨張式ブイの近くに着陸した。

ブイと近くをホバリングするドローンからの映像には、スターシップが着水に向けて着水する様子が映っていた。最初は胴体から落下し、その後ラプターエンジン6基のうち3基が点火して反転し、海面に着水する直前に直立した。しかし、スターシップには戦闘の傷跡もあった。後部とフラップには目に見える損傷があり、特に目立ったのは、全長52メートルの船体側面に錆びたオレンジ色の跡だった。

スペースXの創業者イーロン・マスク氏は、この変色は、宇宙船のセラミックタイルと比較して耐久性と性能をテストするために設置された金属製の耐熱タイルの酸化が原因だと述べた。マスク氏によると、スターシップのこれまでの飛行とは異なり、打ち上げから着陸までほぼすべてのタイルが機体に残っていたという。

詳細を掘り下げる

ゲルステンマイヤー氏は月曜日のスターシップの試験飛行についての議論の中でさらに詳しい話をした。

「私たちは基本的に、セラミックタイル以外で済むかどうかをテストしていました。そこで、船の側面に3枚の金属タイルを貼り、十分な熱制御ができるかどうかを確認しました。金属タイルはセラミックタイルよりも製造が簡単で耐久性も高かったからです。しかし、実際にはそうではありませんでした」とゲルステンマイヤー氏は語った。

「金属タイルは…あまりうまく機能しませんでした」と彼は言った。「酸素濃度の高い環境では、非常に酸化しやすいのです。ですから、あの美しいオレンジ色は、スペースシャトルの外部燃料タンクのような、おそらくシャトル計画へのオマージュとも言える色で、上部の3枚の小さな金属タイルによって生み出されたのです。」

ゲルステンマイヤー氏は、複雑な技術的概念を分かりやすく説明する才能に恵まれています。1977年、NASAのスペースシャトル計画に携わる航空宇宙エンジニアとしてキャリアをスタートしました。NASAで昇進を重ね、同局の有人宇宙飛行計画全体を統括する責任者に就任し、2020年にSpaceXに入社しました。

金属タイルを使った実験は、SpaceXがStarshipを開発している方法を象徴しています。同社のエンジニアたちは、変更を迅速に行い、新しい設計を各試験飛行に取り入れています。金属熱シールドタイルは新しい技術ではありません。NASAは1970年代に実験室でテストしましたが、実際に飛行させたことはありませんでした。

「実際に飛行させることで多くのことを学んだと思います。しかも、下側の保護が十分に確保されていたため、問題は発生しませんでした」とゲルステンマイヤー氏は述べた。「ほとんどのタイルにはかなり大きな隙間があり、そこから熱が侵入して下側まで達しているのが分かります。」

スターシップの耐熱シールドの熟練は、プログラムの将来にとって不可欠です。スターシップを迅速に再利用するには、耐熱シールドの耐久性が不可欠です。マスク氏は、スターシップを24時間以内に再飛行させることを視野に入れています。

NASAの再利用可能なスペースシャトルは、再突入時の高温から保護するために約24,000枚の繊細なセラミックタイルを使用していましたが、これらの素材は繊細で損傷しやすいため、ミッションの合間に手作業による修復と修正が必要でした。SpaceXのドラゴン型有人カプセルには、耐熱シールドの基盤となる再利用可能な構造が採用されていますが、耐熱シールド素材自体は一度しか使用されません。

スターシップのために、スペースXは宇宙飛行の過酷な条件、すなわち打ち上げ時の激しい振動、宇宙空間における極端な熱サイクル、再突入時の灼熱、そして各ミッション終了時の発射台のキャッチアームによる衝撃に耐えられる耐熱シールドを必要としている。マスク氏は、この再利用可能な耐熱シールドをスターシップ計画における「唯一最大の」技術的課題と呼んでいる。

ゲルステンマイヤー氏はプレゼンテーションを続け、スターシップの耐熱シールド上部付近にある白い部分を指差した。これはタイルの隙間から熱が浸み出し、その下層にある材料、つまりスペースXのドラゴン宇宙船の耐熱シールドに由来する熱バリアを侵食したためだと彼は説明した。技術者たちはまた、スターシップの機首付近のタイルを意図的にいくつか取り外し、機体の反応を試験した。

「ドラゴンの表面には基本的に白い物質があり、それが蒸発して白い残留物を作ります」とゲルステンマイヤー氏は述べた。「つまり、熱がタイルの間の領域に入り込み、タイルの真下まで達し、この蒸発構造が真下で蒸発していることがわかります。そのため、タイルを密閉する必要があることがわかりました。」

スターシップの主要構造はステンレス鋼の特殊合金で作られています。スペースシャトルやドラゴンなど、再突入用に設計された他の宇宙船のほとんどはアルミニウムで作られています。アルミニウムは融点が高いため、スターシップはシャトルよりも耐熱シールドの損傷に強いです。

技術者らはスターシップの下のほうにも白い斑点がいくつかあるのを確認した。そこでもタイルの隙間から熱が漏れ、下の素材が焼けていた。

フライト11のプレビュー

あまり良い状況ではないが、SpaceXの関係者は解決策があると考えている。宇宙船の上部付近、白い部分の中に、エンジニアたちはいくつかの暗い部分があるのに気づいた。これは、SpaceXの地上チームがタイルの周囲と下に新しい実験材料を設置した場所だ。

「私たちはこれを『クランチラップ』と呼んでいます」とゲルステンマイヤー氏は言う。「タイルを一つ一つ包む包装紙のようなもので、タイルは機械的に固定されます。ロボットがカチッとはめ込むのです。タイルを押し込むと、この小さな包装紙がタイルの側面に巻き付いて、表面で切り取るのです。」

この「クランチラップ」のような素材を使うことで、隙間を埋める隙間材を使わずにタイルの隙間を密閉することができました。スペースシャトルの隙間を埋める隙間材は耐熱シールドの構造を複雑にし、飛行中に外れてしまうことがありました。

「次のフライト、11便では、まさにこのようなものを飛ばす予定です」とガーステンマイヤー氏は述べた。「ここを飛ぶ際には、あらゆる場所にクランチラップを敷き詰め、今後、より密閉性を高め、タイルの性能を向上させることができるか検証します。これらは私たちが発明を進めている分野です。試験実験を行い、試験範囲の拡張を行い、空気力学的な対策も行っています。これらはすべて非常に重要です。」

11回目のフライトでは、スターシップはこれまでのすべてのミッションで飛行してきた飛行プロファイルに類似した弾道軌道で飛行します。次のフライトは10月に実施される可能性があり、SpaceXは来年の改良型スターシップ／スーパーヘビーロケットのデビューに向けて準備を整えます。SpaceXは日曜日にテキサス州で、次回の打ち上げに向けてスーパーヘビーブースターの試験発射を行いました。

「次の飛行では、それほど多くの技術を投入することはないと思います」と彼は言った。「来年の飛行で目指す構成に、より近づけていくつもりです。」

軌道に乗る

「来年、宇宙船とブースターの両方をV3という別のバージョンにアップグレードします」と、ゲルステンマイヤー氏はArsの質問に答えて述べた。「V3には新型ラプターエンジンが搭載されており、以前のものよりも高性能です。まずはV3（弾道飛行）で飛行し、それが成功すれば、次のV3で軌道飛行につなげる予定です。」

つまり、軌道飛行は13便目以降になるということです。これはマスク氏の最近の発言と一致しています。マスク氏は、今後数回の試験飛行の結果次第では、スペースXは13便目から15便目あたりでスターシップをスターベースで捕捉・回収する可能性が高いと述べています。また、これは私の同僚であるエリック・バーガーがスターシップに関する最近の記事で述べた予測とも一致しています。

キャッチを試みるためには、スターシップは軌道速度まで加速し、世界中を一周してテキサスに戻らなければなりません。

スターシップのこれまでの試験飛行はすべて弾道飛行であり、地球を周回する前に地球に帰還する。スペースXは、宇宙船が地球に帰還する場所と時間を制御できるようにしたいと考えている。スターシップほどの大型機が制御不能な状態で地球に再突入すると、大きな破片が地面に落下することになるだろう。

軌道ミッションは、スターシップ開発の次の段階を切り開きます。スターシップを無傷で回収することで、エンジニアは船の耐熱シールドの性能などをより正確に把握できるようになります。スターシップの軌道投入により、SpaceXは同社の消費者向けインターネットサービス向けに、より強力な次世代スターリンクブロードバンド衛星の打ち上げを開始できます。そして、将来の月や火星への飛行にとって最も重要なのは、軌道飛行によってSpaceXが2機の宇宙船を宇宙空間で合流させ、大規模な軌道上燃料補給の初の実証を行う道が開かれることです。

「来年には実現を目指します」とゲルステンマイヤー氏は述べた。「2026年には、大規模な推進剤移送の実現に注力します。地球周回軌道を離脱するには、推進剤移送が必要になります。」

ゲルステンマイヤー氏はまた、最新のテスト飛行におけるスターシップのスーパーヘビーブースターの実験結果についても簡単に言及した。

この飛行では、スターシップを宇宙へと打ち上げたブースターが、テキサス州沖のメキシコ湾に着水しました。SpaceXはこの飛行を利用して、地球に帰還するブースターに高い負荷をかけ、発射台に戻してタワーの機械アームでキャッチするのではなく、メキシコ湾の着水地点へと誘導しました。

「私たちがそこでやっていたのは、迎え角を調べ、ブースターがどれだけうまく自力で飛行できるかを調べて、将来それをタワーに戻すのにどれだけの能力があるかを把握することです」とゲルステンマイヤー氏は語った。

SpaceXのエンジニアたちは、ブースターの飛行中の降下性能が、コンピュータモデルや風洞実験による予測と一致していないことに気づきました。地上実験では、ブースターは音速以下に減速すると不安定なバフェッティングに遭遇します。

これらの結果に基づき、「ブースターで戻ってくる操作では、私たちが行っているようなことはできないはずですが、飛行を通じて、CFD（数値流体力学）や風洞で示されているよりも安定性が高いことを本質的に示すことができました」とゲルステンマイヤー氏は述べた。

「研究コミュニティにとっての大きな疑問は、なぜこのような違いが見られるのかということです」と彼は問いかけた。「違いがあるだろうという予感はありましたが、100%確信していたわけではありませんでした。そして、私たちはそれを非常にうまく証明することができました。」

ゲルステンマイヤー氏は、この質問は大学や政府の研究所に投げかけるのが最適だと示唆した。SpaceXのような企業はイノベーションを迅速に進めるが、実用的な解決策を見つけると、すぐに別のことに移ってしまう。

「私が言うところの、最小限の実行可能な解決策を理解しました」とゲルステンマイヤー氏は言った。「なぜそれが機能するのかはよく分かりませんが、どういうわけか機能しているので、私たちはそれを活用し、収益化し、機能させていきます。皆さんには、それがなぜ機能するのかを理解する手助けをしていただけるチャンスがあります。…そして、もしかしたら、もっとうまく機能する別のアプローチがあるかもしれない、と気付くかもしれません。」

このストーリーはもともと Ars Technica に掲載されました。