要約:
今朝早く、SpaceX は再び SF 映画にふさわしいシーンを演出しました。 22時間以上の宇宙飛行と地球の周りを14周した後、高さ約52メートルの巨大宇宙船が大気圏に再突入し、米国テキサス州のスターシップ基地に帰還した。地上からそれほど遠くないところで、宇宙船はエンジンを再点火し、最後のフリップと減速を完了し、発射塔の 2 つの巨大な機械アームの間に正確に入りました。その後、エンジンが停止され、ロボットアームが着実に宇宙船を捉えました。
人類が発射塔ロボットアームを使用して、地球軌道から帰還する宇宙船を捕獲することに成功したのはこれが初めてです。これは、SpaceX が完全に再利用可能な軌道輸送システムに大きく近づいたことも意味します。
打ち上げ前に、マスク氏は X で、SpaceX は超重量ブースターと宇宙船上部ステージを同時に捕獲しようとしていると語った。両方が成功すれば、軌道ロケットの主要な飛行セグメントすべてが初めて地球に完全に帰還することになる。
彼はこれを「生命を複数の惑星に生息する種にするために必要な重要な進歩」と呼びました。
しかし、SpaceX は今回、期待された「倍増回復」を達成できませんでした。スーパーヘビーブースターは帰還中に異常が発生し、最終的にメキシコ湾に墜落した。本当に歴史を作ったのはスターシップのアッパーステージでした。
宇宙から帰還し、「箸」に捕らえられる
それはどれくらい難しいですか?
過去 10 年ほどにわたり、SpaceX は Falcon 9 を通じて、ロケットは一度しか使用できないことを証明してきました。
打ち上げ後、Falcon 9 の第 1 段ブースターは再点火し、減速して垂直に着陸し、検査と改修後に任務を再開できます。この技術は商業宇宙飛行のコスト構造を大きく変えます。
しかし、Falcon 9 には常に限界があります。第 2 段ロケットは回収できないということです。
SpaceX の宇宙船は、この再利用性を打ち上げシステム全体に拡張したいと考えています。
完全な宇宙船システムは高さ約 124 メートルで、その下に 33 基のラプター エンジンを備えた超重量ブースターとその上にある宇宙船宇宙船で構成されています。
設計によれば、超重量ブースターは宇宙船を宇宙に送り出し、その後発射場に戻る役割を担っています。宇宙船は軌道に向かって加速し続け、衛星を展開したり、その他のタスクを実行したりして、最終的に地球に帰還します。
どちらの部品も再利用できるため、宇宙輸送は徐々に民間航空の運用モードに近づくことができます。
しかし、問題は、宇宙船を宇宙から帰還させることは、第 1 段ブースターを回収することよりもはるかに複雑であるということです。
第 1 段ブースターは比較的低速で分離し、帰還プロセスは比較的短くなりました。地球低軌道に入る宇宙船は、秒速約7.8キロメートルの速度で飛行する。このような巨大生物を安全に帰還させるためには、高速大気圏突入、熱保護、姿勢制御、正確な着陸といった一連の問題を同時に解決する必要がある。
最も難しいのは熱からの保護です。
宇宙船が公転速度で大気圏に再突入すると、前方の空気が激しく圧縮され、非常に高温の気流が形成されます。宇宙船は、ステンレス鋼のロケット本体を高温による損傷から保護するために、風上側を覆う数千枚の断熱タイルに依存しています。
これらの断熱タイルは、打ち上げ時の激しい振動に耐えるだけでなく、宇宙環境や高速再突入にも耐え、可能な限り無傷のままでなければなりません。
これまでの試験飛行で、SpaceX は断熱タイルの信頼性をテストしており、極度の高温下での局所的な性能を観察するために一部のタイルを率先して取り外したこともありました。
今回の 15 回目の試験飛行では、SpaceX は断熱タイルの固定方法をさらに改良し、新しい湾曲した断熱タイルのデザインを採用して、タイル間の隙間の局所的な加熱を軽減しようとしました。
興味深いことに、今回、スターシップには 26 個のスターリンク V3 衛星も配備されており、その一部にはスターシップの熱シールドの状態を外部からチェックするための特別なカメラが装備されています。
言い換えれば、宇宙船によって宇宙に送られた衛星は、宇宙船が安全に帰還できるかどうかを確認するのに役立つ必要があります。
最も危険な大気圏再突入段階を生き延びた後、新たな極限作戦が始まったばかりです。
宇宙船は、従来のロケットのように尾翼を下に向けて着陸するとは限りません。まず、巨大な船体を利用して風に腹を向けるような姿勢で降下し、空気抵抗を増やしながら、前後4枚のフラップで飛行姿勢や軌道を調整します。
このスタイルはベリーフロップと呼ばれます。
宇宙船が地面に近づくと、ラプター エンジンが再点火され、推力を利用して船体が素早く垂直姿勢に反転します。その後、推力と位置を継続的に調整し、最終的に発射塔の 2 つのロボット アームの間に入ります。
これは外の世界ではおなじみの「お箸付きロケット」です。
難しいアクロバットのように聞こえますが、舞台裏では、エンジンの推力制御、ナビゲーションと位置決め、姿勢調整、ロボット アームの制御など、複数のシステムの連携した作業が必要です。
なぜこの一見危険なアプローチを採用する必要があるのでしょうか?理由は重量と効率です。
従来の着陸脚では、ロケット自体の構造質量が増加し、搭載能力に影響を与えます。地上の発射塔が支援と捕獲のタスクを引き受けることができるようにすると、宇宙船が運ぶ必要がある追加の構造物を減らすことができます。
さらに重要なのは、宇宙船が発射塔に直接戻ることができるため、回収、輸送、海上での再巻き上げなどの面倒な手順が不要になる可能性があることです。
もちろん、これによりリサイクルプロセスがより危険になります。最後の数秒で宇宙船が大きく逸れると、宇宙船を失うだけでなく、高価な発射塔も損傷する可能性があります。
したがって、SpaceX はこのミッションのために複数のステータスチェックノードを設置し、海上バックアップ計画を予約しました。宇宙船と地上施設の両方が条件を満たしている場合にのみ、ロボットアームの捕獲は続行されます。
最終的に、この宇宙船は、軌道飛行、大気圏突入、発射塔の占領までの全プロセスを正常に完了しました。
これまで、SpaceX はスーパーヘビーブースターのロボットアーム捕獲を何度も達成してきましたが、軌道から帰還する上段は今回まで実際に捕獲されていませんでした。
距離の完全な再利用
まだ最終レベルがいくつかあります
同じ打ち上げ中に、超重量ブースターが回復障害を被ったことは注目に値します。
打ち上げから約 6 分後、ブースターが帰還中に異常が発生し、発射塔に帰還する条件を満たさなくなりました。その後、飛行制御システムが捕獲をキャンセルし、メキシコ湾のあらかじめ設定されたエリアへの飛行を許可した。
マスク氏は
で説明しました彼は、改善のための 2 つの可能性のある方向性を提案しました。1 つは、Raptor エンジンの性能と一貫性を向上させること、もう 1 つは、より多くの戻り推進剤を保持するためにエンジンの停止タイミングを調整することです。ただし、最終的な原因を解明するには、テレメトリ データの完全な分析が必要です。
これは、完全な再利用という中核的な課題も明らかにします。ロケットは、帰還用に十分な推進剤を残しながら、輸送効率を最大化する必要があります。
より多くの推進剤を残すということは、ペイロードが減少する可能性があることを意味します。推進剤が少なすぎると、エンジン性能の変動によりエンジンの回復能力が失われる可能性があります。
しかし、それに比べれば、今回宇宙船上流階級が検証した技術の方が画期的だ。
以前、SpaceX は第 1 段ロケットが再利用できることを証明しました。克服する必要がある本当の問題は、軌道上のミッションを完了した後、上段を無傷で帰還できるようにすることです。
もちろん、リサイクルの成功と完全な再利用は依然として 2 つの異なる概念です。
次に、SpaceX は、回収された宇宙船が再び飛行できること、断熱タイルが複数回の高温再突入に耐えられること、エンジンと飛行制御システムが十分に高い信頼性を備えていること、検査、改修、推進剤の補充のプロセスが十分に効率的であることを証明する必要があります。
そうでない場合、たとえ毎回正常に回収できたとしても、維持コストが依然として高く、準備期間が依然として長い場合、宇宙船が真の高頻度運用を達成することは困難になります。
宇宙船のリサイクル
変化したのは宇宙への打ち上げだけではありません
SpaceX は、航空宇宙産業の基本的な論理を変えようとしています。航空機が飛行するたびに廃棄されなければならないとしたら、今日の航空輸送はどれほど高価になるでしょうか?
ロケッツも同様の問題に長い間直面しています。
Falcon 9 は、第 1 レベルの再利用を通じて商業宇宙飛行の経済性を変革しました。 Starship はさらに一歩進んで、配送システム全体を再利用可能にしたいと考えています。
将来の宇宙船が検査、燃料補給、再打ち上げをより短期間で完了できれば、ロケットの製造コストをより多くの作業に分散でき、1 回の軌道輸送のコストもさらに削減されることが期待されます。
最も直接的なメリットは、SpaceX 独自の Starlink ネットワークかもしれません。
このテスト飛行では、回収の完了に加えて、26 基の Starlink V3 衛星の展開にも成功しました。 SpaceX が発表したデータによると、これらの衛星によって提供されるネットワーク容量は、Falcon 9 の Starlink V2 Mini 衛星打ち上げミッション 10 回分とほぼ同等です。
将来、宇宙船が高頻度での運用を実現できれば、SpaceX はより低い輸送コストで、より大規模で高性能の衛星を軌道に乗せることができるようになります。
Starlink 以外にも、宇宙データセンター、大規模な軌道インフラ、深宇宙輸送などのコンセプトにも、強力で低コストの輸送能力が必要です。
さらなる目標は月と火星です。
NASA は、アルテミス計画の有人月着陸システム ソリューションの 1 つとして Starship を選択しました。しかし、実際に月面着陸ミッションを実行する前に、SpaceXは軌道上での推進剤の輸送、大規模な極低温推進剤の貯蔵、深宇宙飛行などの技術的問題も解決する必要がある。
これは、宇宙船がロボット アームによって初めて持ち上げられたことを意味しますが、終わりにはほど遠いです。
2023 年の最初の全体テスト飛行から、2024 年の超重量ブースターの最初の捕獲、そして今日軌道から帰還した宇宙船の回収の成功に至るまで、SpaceX は、一見クレイジーに見えるエンジニアリングのアイデアを徐々に現実に変えています。
しかし、マスク氏が楽しみにしている将来にとって、本当の分水嶺はまだ来ていないかもしれない。
同じ宇宙船が 2 回目、3 回目、あるいはそれ以上宇宙に飛び立つことができ、ロケット回収がもはや世界的な科学技術ニュースではなく、毎日の宇宙打ち上げ活動になったとき、SpaceX は達成したい未来に真に近づいています。
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