SpaceX スターシップの設計の歴史

2018年の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車両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}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、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大容量ロケットのコンセプト、BFR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}ファルコン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まで輸送し、戻ってくることを目的としていたため、このロケットをマーズ・コロニアル・トランスポーターと呼びました。 ^[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、名前が惑星間輸送システムに変更されました。 ^[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ポンド）を超え、低軌道へのペイロードは300 t（660,000ポンド）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の設計コンセプトからの移行を示しました。^{[11] [13] [14]マスク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の向上、高温に耐える能力など、多くの理由を挙げました。^{[15] [13]} 2019年、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}スペースシャトルのものと同様の再利用可能なヒートシールドタイルを使用することを発表しました。^{[19] [20]}第2段の設計も、2019年までに6基のラプターエンジンに落ち着きました。3基は海面レベルに最適化され、3基は真空に最適化されました。^{[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部フラップの数を3枚から2枚に減らした。^{[23] 2020年3月、SpaceXはStarshipユーザーガイドを発表し、その中でStarshipの}低地球軌道（LEO）へのペイロードは100トン（22万ポンド）を超え、GTOへのペイロードは21トン（4万6000ポンド）になると述べた。^[24]

2005年11月、^{[3]スペースX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と呼ばれる長期的で大容量のロケットのコンセプトに初めて言及しました。BFRは100トン（22万ポンド）をLEO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の最後の打ち上げの1年後、 ^[26]スペースXは会議で打ち上げロケットと火星宇宙タグのコンセプトを発表しました。打ち上げロケット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）と呼ばれていました。最大のものはファルコンXXで、低地球軌道への打ち上げ能力は140トン（31万ポンド）でした。このような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]

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機能を備えた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た。 ^[27] 2012年後半、^[28]同社は、火星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に言及した。これは、100人または100トン（220,000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で駆動される予定だった。^[29]マスクは、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だが、^[27] 2013年に「Mars Colonial Transporter」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だろう。^[31]スペースXのCOOグウィン・ショットウェルは、計画中のロケットの潜在的ペイロード範囲を低地球軌道まで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予定である。^{[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1台の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搭載できるという。 ^{[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）になり、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搭載することが予想された。^[31]

2016年、火星コロニアルトランスポーターシステムの名称は、他の目的地への輸送が可能になったことから、惑星間輸送システム（ITS ）に変更されました。 ^[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、打ち上げ用ロケット、宇宙船、ラプターエンジンについてさらに詳細を説明しました。ラプターエンジンの試験台での初試験発射は2016年9月に行われました。^{[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段階で構成される。各段階のタンクは}炭素複合材で作られ、液体メタンと液体酸素を貯蔵する。このロケットは低地球軌道に300トン（66万ポンド）の打ち上げ能力があるにもかかわらず、打ち上げ価格は低いと予想されていた。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る。^[39]このコンセプト、特にそ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た。^{[40]両段とも推進剤タンクの}自己加圧を使用し、ファルコン9の問題のある高圧ヘリウム加圧システムを排除した。^{[41] [42] [36]}

2016年10月、マスク氏は、炭素繊維 プリプレグで作られ、シーリングライナーなしで製造された 最初のタンク試験品が極低温流体テストで良好な結果を示したことを示唆した。設計破裂圧力の約2/3での圧力テストは2016年11月に完了した。 ^[43] 2017年7月、マスク氏は、地球軌道および地球近傍月面打ち上げによる商業輸送をサポートするために、アーキテクチャ設計が2016年以来進化していることを示唆した。^[44]

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）の再利用可能な第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）の推力を生み出す予定だった。ブースターの総推力は、打ち上げ時に128MN（29,000,000ポンド）で、真空中では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）、推進剤が完全に充填された状態では6,700トン（14,800,000ポンド）であった。グリッドフィンを使用してブースターを大気圏に誘導し、正確な着陸を可能にする予定だった。^{[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基だった。中央の7基のエンジンクラスターは}ジンバルで方向制御が可能だが、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になる。各エンジンは定格推力の20～100%の間でスロットル調整が可能だった。 ^[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であった。 ^{[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要求された。^[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であった が、30～40 gまで高くなる可能性もあった 。^[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（大きくて平らなコンクリートパッドまたはダウンレンジ 浮遊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、即座に燃料補給と再打ち上げができるように設計されることになっていた。^[42]

ITSの第二段は、軌道到達のためだけに使われるのではなく、長期間の宇宙飛行にも使われる予定だった。提案された2つの派生型は、再利用を目的としていた。^[41]その最大幅は17メートル（56フィート）で、海面レベル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。真空中でのエンジンの総推力は約31MN（7,000,000lbf）となる予定だった。^[48]

• 惑星間宇宙船は、貨物と乗客を運ぶ第2段および惑星間 輸送機として運用される予定だった。地球周回軌道上で燃料補給後、火星への1回の飛行で最大450トン（99万ポンド）を輸送することを目指していた。^[41]海面レベルのラプターエンジン3基は、火星表面での操縦、降下、着陸、および最初の上昇に使用するように設計された。^[41]推進剤の最大容量は1,950トン（4,300,000ポンド）、乾燥質量は150トン（330,000ポンド）だった。^[48]
• ITSタンカーは燃料タンカーとして機能し、1回の打ち上げで最大380トン（84万ポンド）の燃料を低軌道に輸送する。燃料補給作業の後、着陸して次の飛行に備える。^[49]最大容量は2,500トン（5,500,000ポンド）の燃料で、乾燥質量は90トン（20万ポンド）であった。^[48]

2017年9月、第68回国際宇宙会議年次総会で、マスクは新しい打ち上げロケットをBFRと名付け、再び名前を変更したが、名前は一時的なものであると述べた。^{[9]この頭字語は、} Big Falcon RocketまたはBig Fucking Rocketの略であるとも言われており、これはDoomビデオゲームシリーズのBFGを皮肉ったものである。^[32]マスクは、火星への最初の2つの貨物ミッションを2022年にも予見しており、^[50]将来の飛行のために「電力、採掘、生命維持インフラ」を展開しながら「水資源を確認して危険を特定する」ことを目標としている。これに続いて、2024年には4隻の船が続き、2隻の有人BFR宇宙船と、推進剤工場用の機器と物資を運ぶ2隻の貨物専用船となる。^[9]

この設計では、積載量、着陸能力、信頼性などの目標のバランスが取られた。当初の設計では、以前のITS設計の9基から6基に減らされたラプターエンジン（海面用2基、真空用4基）が搭載されていた。^[9]

2017年9月までに、ラプターは42回のテストサイクルで合計20分間のテスト発射を実施した。最長テストは100秒で、燃料タンクのサイズによって制限された。テストエンジンは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、後の反復で30 MPa （300 bar; 4,400 psi）に向かう途中だった 。 ^[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ことを示唆した。^[51]

スペースXは、カリフォルニア、テキサス、ルイジアナ、^[52]フロリダに製造拠点を探しました。^{[53] 2017年9月までに、スペースXは打ち上げロケット}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されており、施設は建設中です。最初の船の建造を開始する予定です[2018年第2四半期]。」^[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}ロケットをはしけでパナマ運河を経由してケープカナベラルに輸送する計画を立てていた。^[52]それ以来、同社はこの契約を破棄している。

2018年8月、米空軍航空機動司令部のトップは、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に設計された。^{[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にスプリット・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、飛行エンベロープを拡大し、宇宙船がさまざまな大気密度（真空、希薄、または重大気）にさまざまなペイロードで着陸できるようにすると言われていた。 ^{[50] [9] : 18:05–19:25} BFSの設計では当初、4基の真空エンジンと2基の海面エンジンの計6基のラプターエンジンが搭載されていた。2017年後半までに、SpaceXは3基目の海面エンジン（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つのバージョンが記述されていた。BFS貨物、BFSタンカー、BFSクルーである。貨物バージョンは地球周回軌道に到達するのに使われることになっていた^[50]ほか、月や火星に貨物を運ぶことにも使われた。楕円軌道で燃料補給した後、BFSは最終的に月に着陸し、再度燃料補給することなく地球に帰還できるように設計された。^{[50] [9] : 31:50} BFRはまた、地球から地球への輸送で乗客/貨物を運び、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た。^[50]

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]マスクは設計変更の理由として、低コストと製造の容易さ、}極低温でのステンレス鋼の強度の向上、高熱への耐性など、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。液体冷却の風上側は、2019年に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、マスクはスターシップの開発に関するイベントを開催し、その中で下段ブースター、上段の降下制御方法、耐熱シールド、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、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段の後部フラップは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は120,000 kg (260,000 lb)で、最初は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)に増加す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]

スペースXが提案しているスターシップの将来の用途の1つは、1時間以内に地球上のどこにでも移動できるポイントツーポイント飛行（スペースXでは「地球から地球」飛行と呼んでいる）である。 ^[65] 2017年にスペースX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、乗客を乗せたポイントツーポイントの旅行は、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アイデアは「極めて非現実的」であると述べた。なぜなら、宇宙船は無重力から5Gの加速に切り替えるからだ。^{[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素敵なコードワードだ」とコメントした。^[67]

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