スペースXの巨大宇宙船「スターシップ」、完全再使用への新たな挑戦

スターシップの上段(シップ)を回収する想像図 (C)SpaceX

米スペースXが開発する大型ロケット「スターシップ」が、11月に予定する第15回飛行試験(フライト15)で、これまでで最も難しい挑戦に臨む。第1段「スーパー・ヘヴィ」と上段「シップ」の両方を発射場へ帰還させ、発射塔の巨大なアームで空中捕捉するというものだ。

スーパー・ヘヴィの捕捉はすでに実績がある。一方、軌道速度まで加速した上段を大気圏に再突入させ、地上で回収する試みは初めてとなる。成功すれば、両段を回収してふたたび飛ばすという「完全再使用」の構想が、一段と現実味を帯びることになる。

第15回飛行試験では両段を回収

9月に行われた、スターシップ第14回飛行試験の打ち上げの様子 (C)SpaceX

スターシップは、人工衛星や大量の貨物を宇宙へ運び、将来的には人類の月や火星への輸送も担うことをめざして開発されている、史上最大級のロケットだ。

第1段のスーパー・ヘヴィと、宇宙船の機能を兼ねる上段のシップからなり、両段を地上に帰還させて繰り返し使用する「完全再使用」をめざしている。これにより、打ち上げコストの低減と、打ち上げ頻度の向上の一挙両得を狙っている。

機体の回収には、発射塔に取り付けた2本の巨大なアーム「チョップスティックス」で空中の機体を受け止める、独特の方式を採用する。

スターシップは2023年4月に初飛行し、その後も試験と改良を重ねながら開発が進められてきた。2024年10月の第5回試験では、スーパー・ヘヴィを発射塔のアームで捕捉することに初めて成功した。そして2026年5月からは、エンジンや推進系、機体構造などを大幅に改良した第3世代の「スターシップV3」を使用している。

9月28日の第14回飛行試験では、初めて地球を周回する軌道に入った。それまでの飛行は安全上の理由から、宇宙へ到達しても軌道へは入らず、自然に再突入するサブオービタル飛行を採用していた。さらに、この試験では衛星の放出から軌道離脱、再突入、軟着水までを成し遂げ、スターシップは実際に衛星を軌道へ運ぶ輸送手段として、新たな段階に進んだ。

放出したスターリンク衛星から撮影されたシップ (C)SpaceX

これを受け、スターシップはいよいよ両段の回収を一度の飛行で試みる段階に入った。

11月7日の時点で、スペースXは第15回試験を日本時間11月14日7時45分(米中部標準時13日16時45分)からの75分間に打ち上げることをめざすとしている。実施には規制当局の承認が必要となる。

第1段には「ブースター22」(Booster 22)、上段には「シップ42」(Ship 42)を使用する予定だ。10月25日にはブースター22が33基のラプター3による静的燃焼試験を行い、シップ42も6基すべてのエンジンによる試験と、軌道離脱噴射を模擬した1基での燃焼試験を終えている。

打ち上げには、スターベースに新設された第2発射台を使用する。この発射台では、機体への推進薬の供給設備を増強したほか、発射塔のアームを短くし、駆動方式も油圧式から電動式に変更した。これらの改良によって打ち上げ準備にかかる時間を短縮するとともに、帰還する機体をより確実に捕捉できるようにする狙いがある。

第15回試験では、スーパー・ヘヴィを上段分離後に発射場へ帰還させ、発射塔での回収を試みる。一方、上段は高度約275kmの地球周回軌道に入り、スターリンクV3衛星26機を放出する。その後、地球を約14周、22時間以上にわたる軌道飛行を経てスターベースへ帰還し、同じく発射塔で捕捉する計画だ。成功すれば、1回の打ち上げで第1段と、軌道飛行を終えた上段の双方を回収する初めての事例となる。

発射塔のアームで捕捉されるシップの想像図 (C)SpaceX

完全再使用の難しさ

しかし、今回初めて挑む上段の捕捉は、スーパー・ヘヴィの捕捉よりもはるかに難しい。

スーパー・ヘヴィは上段を分離したのち、機体の姿勢を反転させ、エンジンを再着火して発射場へ戻る。上段と異なり、軌道速度まで加速する前に帰還を始めるため、減速や空力加熱への対応は比較的容易だ。

一方、上段は地球周回軌道に入るために秒速約7.9kmまで加速する。そのため、帰還時にはまずエンジンを再着火して逆噴射し、速度を落として大気圏へ再突入する軌道に移る必要がある。

さらに、再突入時には激しい空力加熱にさらされる。風上側の耐熱タイルで機体を守り、前後のフラップで姿勢と飛行経路を制御しなければならない。地表に近づけば、エンジンを再着火して減速し、機体を水平から垂直へと起こして、発射塔のアームで捕捉できる位置まで正確に誘導する必要がある。

これまでの試験では、上段はインド洋や太平洋の指定された海域への着水をめざしてきた。しかし、発射塔で回収するには、着水時よりもはるかに高い精度で機体の位置や姿勢、速度を制御しなければならない。軌道離脱噴射のわずかな誤差が帰還経路に影響し、再突入時に機体が損傷すれば、最終的な減速や姿勢制御にも支障を来しかねない。

こうした飛行を実現するには、長時間の軌道滞在を経ても確実にエンジンを再着火できること、耐熱システムが再突入に耐えられること、そして狭い目標に機体を正確に誘導できることが欠かせない。

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