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.jpg/500px-ORBCOMM-2_(23282658734).jpg) ファルコン9フライト20の第1段（フルスラストB1019）が2015年12月にランディングゾーン1に垂直着陸 | |
| プログラム概要 | |
|---|---|
| 国 | アメリカ合衆国 |
| 組織 | スペースX |
| 目的 | 再利用可能な発射システム |
| 状態 | アクティブ |
| プログラム履歴 | |
| 間隔 | 2011年～現在 |
| 初飛行 | スペースX CRS-3 |
| 発射場所 | |
| 車両情報 | |
| 打ち上げロケット | |
SpaceXは、航空機の再利用と同様に、何度も再利用できる軌道打ち上げシステムの開発に民間資金を提供してきた。SpaceXは2010年代から、宇宙打ち上げロケットの完全かつ迅速な再利用を促進する技術を開発してきた。プロジェクトの長期目標には、打ち上げロケットの第1段を数分以内に打ち上げ場に帰還させ、第2段を発射台に帰還させ、打ち上げ場との軌道再調整と最大24時間の大気圏再突入を行うことが含まれている。SpaceXの長期目標は、軌道打ち上げロケットの両段の再利用であり、第1段は帰還後数時間で再利用できるように設計されるはずだった。[1] Falcon 9の再利用可能な第2段の開発は、後にStarshipの開発のために中止された。[2]しかし、SpaceXはFalcon 9の再利用可能なペイロードフェアリングを開発した。[3]
このプログラムは2011年に発表された。SpaceXは2015年12月に初めて第1段の着陸と回収に成功した。着陸した第1段の最初の再飛行は2017年3月に行われ[3]、 2回目は2017年6月に行われ、ブースターの初飛行からわずか5か月後だった。[4] 3回目の試みは2017年10月のSES-11 / EchoStar-105ミッションで行われた。改修された第1段の再飛行はその後日常的になった。2021年5月、B1051は10回のミッションを打ち上げた最初のブースターとなった。[5]
再使用型打ち上げシステム技術は、もともとファルコン9の第1段用に開発されました。[6]ステージ分離後、ブースターは反転し（オプションのブーストバック燃焼で進路を逆転）、再突入燃焼で重力による速度を落として宇宙船が大気圏の厚い部分に再突入する際のステージの過熱を防ぎ、着陸燃焼で最終的な低高度減速と着陸を達成します。
SpaceXは少なくとも2014年から再利用可能な第2段の開発を計画していたが、宇宙船が軌道速度で移動しているため、より困難な工学的問題であった。[7] [6] [8]第2段の再利用は、イーロン・マスクの火星移住計画にとって不可欠であると考えられている。再利用可能なファルコン9の第2段の初期コンセプトは2018年までに放棄された。[2]
2023年現在[update]、スペースXはスターシップシステムを完全に再利用可能な2段式打ち上げロケットとして開発しており、衛星の運搬や人間の輸送のための他のすべての打ち上げロケットと宇宙船（ファルコン9、ファルコンヘビー、ドラゴン）を置き換え、最終的には月や火星への飛行をサポートすることを目指しています。理論的には地球上の2地点間の輸送に使用できる可能性があります。[9]
歴史
スペースXはファルコン1の第一段をパラシュートで着陸させようとしたが、大気圏再突入に耐えられなかった。 2010年以降のファルコン9の初期の飛行でもパラシュートを使った実験を続けたが失敗に終わった。その後、スペースXは動力降下 着陸システムの開発に切り替えた。[10]
再利用可能な打ち上げシステムの概要は2011年9月に発表された。SpaceXは、Falcon 9の両段、つまり完全に垂直に離陸、垂直に着陸する（VTVL）ロケットの動力降下と回収の開発を試みると述べた。同社は、第1段が尾部から動力降下のために帰還し、第2段が熱シールドとともに頭部から再突入してから回転して動力降下するアニメーションビデオを制作した。[11] [12] [13] [14] 2012年9月、SpaceXは弾道ロケットGrasshopperで再利用可能なプロトタイプの第1段の飛行テストを開始した。[15]これらのテストは2014年まで続けられ、2番目の大型プロトタイプ機であるF9R Dev1のテストも行われた。
グラスホッパー試験ロケットのニュースは、数日前に米国連邦航空局がテキサス州のスペースX試験場の環境影響評価案を発表し、宇宙メディアがそれを報道したときに公表されていた。 [16] [17] 2012年5月、スペースXはNASA マーシャル宇宙飛行センターの 風洞試験施設で176回の試験走行に基づいて、ファルコン9第一段の回収のための大気試験データを入手した。この作業は、NASAとの償還可能な宇宙法協定に基づいてスペースXによって請け負われた。[18]
2012年には、再利用可能なファルコン9ロケットの第1段分離は、減速と方向転換操作および制御された降下と着陸に必要な残留燃料を供給するために、使い捨てのファルコン9のマッハ10（時速7,600マイル、3.4km/秒）ではなく、およそマッハ6（時速4,600マイル、2.0km/秒）の速度で行われると予測されました。[1]
2012年11月、CEOのイーロン・マスクは、ファルコン9とファルコン・ヘビーで使用されているLOX/ RP-1ではなくLOX /メタンで駆動する、2番目のはるかに大型の再利用可能なロケットシステムを構築する計画を発表した。新しいシステムは「SpaceXのFalcon 9ブースターの進化形」となる予定で、SpaceXは垂直着陸技術の画期的な進歩を開発するというコミットメントを改めて表明した。[19] 2012年末までに、デモテスト機であるグラスホッパーは、2012年12月17日の40メートル（130フィート）までの29秒間のホバリング飛行を含む3回のVTVLテスト飛行を行った。 [15] 2013年3月初旬、SpaceXはグラスホッパーの4回目のテストに成功し、高度80メートル（260フィート）以上まで飛行した。[20]
2013年3月、スペースXは、その後のファルコン9第一段ロケットに制御降下試験機として装備と機器を組み込み、2013年から水上での推進減速模擬着陸を計画し、2014年半ばにもロケットを発射場に帰還させて動力着陸させる意向を発表した。[21] 2013年4月に提案されたスペースX南テキサス発射場の環境影響評価書草案には、ファルコン9第一段ロケットを発射場に帰還させるための具体的な設備が含まれている。 [ 22]イーロン・マスクは、2013年4月に初めて再利用可能なファルコン9をファルコン9-Rと公に呼んだ。[23]
2013年9月、スペースXは軌道打ち上げ時に使用済みブースターの3つのエンジンの再点火に成功し、ブースターは燃え尽きることなく極超音速で大気圏に再突入した。[24]ブースター制御による高高度からの降下の最初の飛行試験から収集されたデータと、グラスホッパー低高度着陸実証機の技術的進歩を合わせて、スペースXはブースターステージの完全な地上回収を試験する準備が整ったと発表した。[25]最初の高高度飛行試験の良好な結果に基づき、スペースXは試験の予定日を2014年半ばから2015年初めに前倒し[説明が必要] 、規制当局の承認を待って次の宇宙ステーション貨物補給飛行で試験を行う意向である。[26] [27]その飛行は2014年4月18日に行われた。[28] [29]
マスクは2013年5月に、このプログラムの目標は2015年までに第1段の完全かつ迅速な再利用を実現し、それに続いて「将来の設計アーキテクチャの一部」として完全な打ち上げ機の再利用を開発することであると述べた。[30] 2013年9月、スペースXは、テストプログラムのすべての側面が成功し、顧客が興味を持っている場合、ファルコン9ブースターステージの最初の再飛行は2014年後半に早ければ行われる可能性があると述べた。[26]
2014年2月、スペースXは、当時は火星コロニアルトランスポーターと呼ばれていた、新たに定義された超重量ロケットにも再利用可能な技術が使用されることを明確にしました。[8]これは、2012年のマスクの戦略的声明「革命的なブレークスルーは、完全に迅速に再利用可能なロケットによってもたらされるでしょう。それがなければ、私たちは火星を征服することはできません。それはあまりにも高価です。海を渡る船が再利用可能でなければ、アメリカの植民地は決して開拓されなかったでしょう。」と一致しています。[31]
また、2014年5月、スペースXは、ドラゴンフライと呼ばれる再利用可能な動力着陸宇宙カプセルの大規模なテストプログラムを発表しました。テストは、2014年から2015年にかけてテキサス州のマクレガーロケットテスト施設で実施される予定でした。[32]
2014年6月、COOの グウィン・ショットウェルは、再使用型打ち上げシステム技術開発プログラムの開発とテストのための資金はすべてSpaceXの民間資金であり、米国政府からの寄付はないと明言した。[33] [34] 2017年時点で、SpaceXはこの開発プログラムに10億ドル以上を費やしている。[35]
スペースXは2014年7月に初めて、「浮遊式発射台に着陸するか、発射場に戻ってロケットを改修せずに再発射できると確信している」と述べた。[36]
2014年後半までに、スペースXはファルコン9の第二段を回収して再利用する計画を中止または放棄しました。 [37]必要な熱シールド、着陸装置、低出力着陸エンジンの追加質量により、パフォーマンスに大きなペナルティが発生するためです。このアイデアは後に再び言及されましたが、スターシップの開発が進むにつれて最終的に放棄されました。 [2]
2015年12月、 12月22日の打ち上げからの第1段の回収に続いて、スペースXは回収されたブースターの最初の再飛行は2016年に行われる可能性が高いと予測したが、12月22日に回収された第1段は使用されないだろうと予測した。[38]
2016年9月、スペースXは、再利用可能な飛行ハードウェアを第2段まで拡張する開発が進行中であると発表した[要出典]。これは、車両が軌道速度で移動するため、より困難なエンジニアリング上の問題である。再利用可能な技術は、タンカーと有人宇宙船の上段派生型の2016年設計と、惑星間輸送システムの第1段に拡張される予定であり、[7] [6] [8] 、イーロン・マスクが推進している火星移住を可能にする計画にとって最も重要であると考えられている。[39] [40] [41] 2016年には、惑星間輸送システム車両の最初のテスト飛行は2020年より早くなることはないと予想されていた。[7]
2017年、スペースXはフェアリング回収システムを段階的に反復的に開発する試験飛行を進めていた。 [42] [3] 2017年7月、マスクは「フェアリングを回収できるところまで来ている。…年末までにフェアリングを回収し、今年末か来年初めまでに再飛行できる見込みだ」と述べた。[43]フェアリング回収によるスペースXのコスト削減額は500万ドル程度になると見込まれている。ブースターステージとフェアリングを合わせると、打ち上げコストの約80％を占める。[43]フェアリングには操縦可能なパラシュートが装備されており、大きなネットを備えた船に向かって落下する。[44] 2017年からは海から無傷のフェアリングを回収できるようになり、[45] 2019年以降はネットに着陸する。[44]
テクノロジー
ファルコン9とファルコン・ヘビーの第1段、そしてスターシップの両段の打ち上げと回収を成功させるには、いくつかの新しい技術を開発し、テストする必要がありました。2017年以降、ファルコンロケットブースターの回収と再利用は日常的なものとなっています。
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Falcon 9 用に開発された技術には、現在も改良が続けられているものもいくつかありますが、以下のものがあります。
- 第一段ブースターの再始動可能な点火システム。 [23]再始動は、上層大気の超音速時（発射台から離れる高速度を逆転させ、ブースターを発射台に戻る降下軌道に乗せるため）と下層大気の高遷音速時（最終降下を減速させ、軟着陸を行うため）の両方で必要となる。[46]ブースターが陸上の着陸地点に戻る場合、段分離直後にブースターの飛行方向を逆転させるために別の点火が必要であり、センターエンジンの合計点火は4回となる。
- ブースターが下降中のロケット本体を大気圏に送り込むための新しい姿勢制御技術。これにより、非破壊的な帰還と着陸の最終段階を可能にする十分な空力制御の両方が実現します。 [47]これには、2013 年 9 月の最初の高高度飛行テストで発生したようなロケットの過度な回転を防ぐための十分なロール制御権限が含まれます。このテストでは、ロール速度がブースター姿勢制御システム(ACS) の能力を超え、タンク内の燃料がタンクの側面に「遠心分離」され、低高度減速操作に関与する単一のエンジンが停止しました。[27] [48]この技術は、極超音速状態での宇宙の真空から超音速への減速、遷音速バフェットの通過、そして終端速度での主段エンジンの 1 つの再点火の処理が必要です。[25]
- 2014年の第5回海洋制御降下試験飛行から、精密着陸を可能にするために、極超音速グリッドフィンがブースター試験機の設計に追加された。グリッドフィンは「X」字型に配置され、機体が大気圏に戻った後、下降するロケットの揚力ベクトルを制御し、より正確な着陸位置を可能にする。[49] [50]設計の反復は2017年まで続いた。より大きくて頑丈な、塗装されていない鍛造チタン製のグリッドフィンは、2017年6月に初めてテストされ、2018年5月以降、すべての再利用可能なブロック5ファルコン9第1段で使用されている。[51]
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- ロケットエンジンは、ロケットが地面に到達すると同時に速度をゼロにするためにスロットル制御可能である必要がある。マーリン1Dエンジン1基の最小推力でさえ、ほぼ空のファルコン9ブースターコアの重量を超えるため、ロケットはホバリングできない。[52] [53] [50]
- ターミナル誘導着陸能力[20] 、車両の推力対重量比が1を超えるロケットを着陸させることができる車両制御システムと制御システムソフトウェアアルゴリズムを含む[ 54]、閉ループ推力 ベクトルおよびスロットル制御[55] [50]
- 精密着陸のためのナビゲーションセンサースイート[47] [56] [50]
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- 第一段の燃料が不足して発射場に戻ることができない場合に打ち上げを行うための、大型の浮体式着陸プラットフォーム。2022年現在、SpaceXは3隻の自律型宇宙港ドローン船を建造しており、1隻は米国西海岸で、2隻は米国東海岸で運用されている。
- 大気圏再突入時に第一段の損傷を防ぐための熱保護システム。[57]
- 軽量で展開可能なブースター段用着陸装置。 [17] [50] 2013年5月、Aフレーム上にネストされた伸縮式ピストンの設計が発表された。4本のカーボンファイバー/アルミニウム伸縮式着陸脚[58] [59]の総スパンは約18メートル（60フィート）で、重量は2,100キログラム（4,600ポンド）未満である。展開システムは高圧ヘリウムを作動流体として使用する。[60] [61]フライト25では、特にハードランディングの着陸時の衝撃を吸収するために、各着陸脚に「クラッシュコア」が含まれていることが発表された。[62] [63]
ロケット再利用の経済性
ファルコン9を再利用可能にして発射場に戻すには、第一段に追加の推進剤と着陸装置を搭載する必要があり、使い捨てのファルコン9と比較して軌道に乗せる最大積載量を約30%削減する必要がある。[64]以前に使用した段を次の飛行で 再飛行させるかどうかは、着陸した段の状態に依存しており、スペースシャトルの再利用可能な固体ロケットブースター以外ではほとんど使用されていない技術である。
マスク氏は2015年に、地上でエンジンの複数回のフル稼働燃焼が行われ、その時点でエンジンの複数回の再始動が実証されており、大きな劣化は見られなかったため、プログラムの再飛行段階は「簡単」になると予測した。[65] 2015年、業界アナリストは、段階の改修と再打ち上げのコストがまだ実証されておらず、再利用の経済的根拠は必然的に頻繁な打ち上げに大きく依存するため、経済的な再利用を妨げる可能性のある問題を予測し続けた。[66]
SpaceXは宇宙へのアクセスコストを大幅に削減し、競争が激化する宇宙打ち上げサービス市場に変化をもたらすと期待されている。[26] [67]マイケル・ベルフィオーレは2013年にフォーリン・ポリシー誌に、低軌道への打ち上げ1回あたりのコストが5,650万ドルと公表されていることから、「ファルコン9ロケットはすでに業界で最も安価だ。再利用可能なファルコン9は価格を桁違いに下げることができ、宇宙を拠点とする企業が増え、規模の経済によって宇宙へのアクセスコストがさらに下がるだろう」と書いている。[24]追加の打ち上げサービスを提供するために多くの契約要件がある軍事打ち上げの場合でも、SpaceXの価格は1億ドル以下である。[68] [69]
宇宙産業アナリストのアジェイ・コタリーは、スペースXの再利用可能な技術は宇宙輸送に「60年前にジェットエンジンが航空輸送にもたらしたものと同じ効果をもたらす可能性がある。当時は、毎年5億人以上の乗客が飛行機で旅行することや、乗客数と信頼性の高い再利用性のおかげでコストを現在のレベルまで下げることができるとは誰も想像していなかった」と指摘している。 [70]スペースXは2014年1月、再利用可能な技術の開発に成功すれば、再利用可能なファルコン9の打ち上げ価格は500万～700万ドル程度になる可能性があると述べており、 [71] 2015年12月に第1段階の回収が成功した後、マスク氏は「長期的にはコスト削減の可能性はおそらく100倍以上になるだろう」と述べた。[66]
2014年3月時点で、 SpaceXと競合する[update]打ち上げサービスプロバイダーは、同様の技術を開発したり、競合する再使用型打ち上げ機のオプションを提供する予定はなかった。ロシアのプロトンロケットの打ち上げを販売するILS、アリアネスペース、シーローンチのいずれも、再使用型打ち上げ機サービスの開発と販売を計画していなかった。SpaceXは、再使用型ロケット技術の高価な開発と、その理論的な市場機会に対するオプションの開発のための民間資本の支出を正当化するのに十分な弾力性のある市場を需要サイドに予測した唯一の競合企業であった。 [72]
2014年にファルコン9 v1.1ロケットは公式のペイロード仕様よりも約30％多い容量で設計されました。追加の性能は、顧客への指定された軌道ペイロードの配送を達成しながら、再利用に向けた第一段階の再突入および着陸テストをSpaceXが実行するために確保されました。[73]
再使用技術の経済的利益を最大限に得るためには、再利用が迅速かつ完全であることが必要である。再使用型ロケットの初期の試みで問題となった、長くて費用のかかる改修期間や、部分的に再使用可能な設計は不要である。SpaceXは、「宇宙飛行を開拓する大きな可能性」[74]は、完全かつ迅速な再利用の実現にかかっていると明言している。[28] [68] CEOのマスクは2014年に、技術開発の取り組みが成功すれば「宇宙飛行のコストを100分の1に削減できる」[75]と述べた。これは、ファルコン9の推進剤/酸化剤のコストがロケットの総コストのわずか0.3%に過ぎないからである。[76]
SpaceXの打ち上げ価格の引き下げによってもたらされた市場競争や、技術がうまく完成すればさらに大幅に打ち上げ価格が下がる可能性とは別に、 Aviation Week誌は2014年に「SpaceXの再利用可能な打ち上げ作業はR&Dモデルである」と評し、「その大胆なコンセプトとプログラムの進捗の速さは模範となる。…[その]猛烈な開発ペースは、その実行においてほぼアポロのようである…[それでも]成功は保証されていない。」と述べた。[77]
2016年3月9日、スペースXの社長グウィン・ショットウェルは、コストと重量の問題でファルコン9の第2段を再利用する試みが断念されたことを受けて、再利用による打ち上げの潜在的な節約額についてより現実的な評価を行った。彼女は、燃料補給に100万ドル、使用済みの第1段の改修に300万ドルかかるとすれば、打ち上げ価格を4000万ドルまで下げることが可能であり、これは30%の節約になると述べた。スペースXの最大の顧客であるSESは、再利用されたロケットに最初に乗りたいとしているが、そのプロセスを開拓するリスクを相殺するために、打ち上げ価格を3000万ドル、つまり50%の節約にしたいとしている。 [78]
イーロン・マスクによると、ファルコンのほぼすべての部品は100回以上再利用される予定である。ヒートシールドと他のいくつかの部品は交換されるまでに10回以上再利用される予定である。[79] 2017年3月、スペースXは600万ドルのペイロードフェアリングを回収し、最終的に再利用するための実験が進んでいると発表した。SES -10ミッションでは、フェアリングの半分がスラスターと操縦可能なパラシュートを使用して制御された大気圏再突入と着水を実行した。フェアリングは最終的に浮遊する「バウンシーキャッスル」構造に着陸する予定である。[80]
スペースXは2017年に、以前に打ち上げたブースター段の再飛行を開始しました。最初の再飛行は、ブースターの初飛行からほぼ1年後の2017年3月に達成されました。2回目は、初飛行からわずか5か月後の2017年6月に行われました。両方の再飛行は成功し、保険会社と打ち上げサービス顧客の両方が、複数回使用ブースターによる打ち上げサービスの市場をサポートしています。[4]
2020年8月、イーロン・マスクは、ブースターの改修と再利用は新しいブースターの価格の10％以下で行われ、ペイロードの減少は40％以下であるとツイートした。彼のツイートによると、スペースXはブースター1基あたり2回目の飛行で損益が均衡し、3回目の飛行からはコストを節約できるという。[81]当時、ファルコン9ブロック5は11基のブースターで35回の飛行を行っていた。
技術的な実現可能性
2015年12月に再利用プログラムが成功するまで、軌道打ち上げシステムのブースターロケットの帰還は一度も達成されておらず、技術的および経済的実現可能性の両方に疑問を抱く人が多かった。そして、この成功の後も、ロケットの迅速な再利用は試みられていない。再利用可能なロケットの開発は、軌道に到達できるロケットの質量の割合が小さいため、非常に困難である。[12] [82]通常、ロケットのペイロードはロケットの質量の約3％に過ぎず、これはまた、ロケットの再突入に必要な燃料の質量とほぼ同じである。[83]
イーロン・マスクはプログラム開始時に、スペースX社の製造技術によりロケット効率が通常の3%を超えるため、帰還、垂直着陸、回収が可能だと信じていると述べた。再利用可能な構成で運用されるスペースXロケットは、使い捨て構成の同じロケットに比べて、積載量の打ち上げ能力が約30%低い。[25]
再使用型打ち上げシステム技術は、ファルコンロケットファミリーの第1段用に開発され、当初は使用されていたが[6]、 2つの外殻が飛行の早い段階でロケットから 分離し、そのため段分離時の移動速度が遅いファルコンヘビーに特に適している。例えば、ファルコン9のフライト20では、分離時の速度は6000 km/hに近かったため[84]、発射場近くまで戻ることができた。よりエネルギーの高いGTO軌道に向かうフライト22では、分離時の速度は8000～9000 km/hとより高かった。このような高速では、着陸のためにブースターを発射場近くまで戻すことは不可能であり、着陸を試みる場合は、自律型ドローン船で数百キロメートル離れた地点まで着陸する必要がある。
再利用はリスクの推定にも影響を与える。再利用ロケットの初期の顧客はより低い価格を要求したが、[85]すでに飛行したブースターは現実的な飛行条件下で機能することが実証されている。現在、一部の顧客は新しいブースターよりも再利用ブースターを好む。[86]
Falcon 9 再利用性開発
2013年、SpaceXは、第1段ブースター打ち上げロケットの設計（3つの試験用ロケット：Grasshopper、F9R Dev1、F9R Dev2）と、新しい再利用可能なSpaceX Dragon 2 宇宙カプセル（ DragonFlyと呼ばれる低高度試験用ロケット）の両方について、再利用可能な技術を試験していました。
SpaceX は、次の 4 つの側面を含むブースター ステージの多要素増分テスト プログラムを公開しました。
- テキサス州の試験場で、単発エンジンのグラスホッパー技術実証機を低高度（760メートル/2,500フィート未満[16] [87] ）、低速で試験する。
- 低高度（3,000メートル/9,800フィート未満）、低速度での、はるかに大型の第2世代の3発エンジン試験機F9R Dev1の試験。第2世代の機体には伸縮式着陸脚が装備されており、テキサスの試験場で試験される予定である[88]
- 高高度中速度試験が計画されていたが、第一段ブースターのミッション後の再突入試験を優先するためキャンセルされた。ニューメキシコ州スペースポート・アメリカにあるスペースXのリース施設でF9R Dev2を使用する予定だった。
- 2013年に始まったファルコン9ロケットの打ち上げの一部に続いて、ミッション終了後の（使用済みの）ファルコン9ロケットブースター段の高高度（91km/300,000フィート[89]）、超高速（約2.0km/s、6,500km/h、4,100mph、マッハ6 [1]）での弾道再突入、制御減速、および制御降下試験が実施されました。
グラスホッパー社は2012年と2013年に8回の低高度ブースター飛行試験を実施した。高高度からの最初のブースター帰還制御降下試験は2013年9月に実施され、2回目は4月に実施された[26] [29] [90] 、 3回目は7月に実施された[91]、4回目は2014年9月に実施された。これまでの4回の試験飛行はすべて、水上での模擬着陸を目的としていた。[36] F9R Dev1の5回の低高度ブースター飛行試験は2014年4月から8月にかけて実施され、5回目の飛行で安全上の理由から機体が自爆した[92] [93] 。
飛行試験機
SpaceXは、2012年に実験的な技術実証用の再使用型 弾道ロケット（RLV）のセットを使用して、再使用型ブースター技術の飛行試験を開始しました。再使用型試験ロケットのプロトタイプとして、高さ106フィート（32メートル）のグラスホッパー（旧称グラスホッパーv1.0）と高さ160フィート（49メートル）のファルコン9再使用型開発車両、またはF9R Dev1（旧称グラスホッパーv1.1 [74]）の2つのバージョンが製造されました。また、ファルコン9のドラゴン乗組員と貨物カプセルの推進着陸を試験するためのカプセルプロトタイプであるドラゴンフライも製造されました。[74]グラスホッパーは、2012年9月に始まり、8回の試験飛行を経て2013年10月に完了した低高度、低速度ホバリング試験用に2011年から2012年にかけて製造されました。[16] [17] [74] 2番目のプロトタイプ機の設計であるF9R Dev1は、はるかに大きなファルコン9 v1.1ブースターステージ上に構築され、実際の飛行ハードウェアにより適合した機体の低高度飛行試験範囲をさらに拡張するために使用されました。2014年に5回の試験飛行が行われました。 [74] [94] [95]試験機ロケットとカプセルの低高度低速飛行は、テキサス州マクレガーのスペースXロケット試験施設で実施されました。 [16] [17] [74]
スペースXは2018年11月に、ファルコン9の第二段を大幅に改造した「ミニBFR船」のような外観の試験を検討していることを示唆し、超軽量の熱シールドや高マッハ制御面など、実物大の宇宙船に必要な多くの技術の大気圏再突入 試験に使用しました。 [96] [97]しかし、2週間後、マスクは代わりにフル直径のBFRを使用することを支持し、このアプローチを却下しました。[98]
バッタ
同社の最初のVTVL試験機であるグラスホッパーは、ファルコン9 v1.0第一段燃料タンク、単一のマーリン-1Dエンジン、および4本の永久的に取り付けられた鋼鉄製の着陸脚で構成されていた。高さは106フィート（32メートル）でした。[17]スペースXは、グラスホッパー飛行試験プログラムをサポートするために、テキサス州マクレガーのロケット開発試験施設に0.5エーカー（0.20ヘクタール）のコンクリート打ち上げ施設を建設しました。 [99] グラスホッパーは、後続のグラスホッパークラスの試験機が製造されていた2014年以前は、グラスホッパーバージョン1.0、またはグラスホッパーv1.0としても知られていました。
2012年の3回の試験飛行に加え、2013年10月末までにさらに5回の試験飛行が成功裏に行われた。これには2013年3月の全体で4回目の試験飛行も含まれ、グラスホッパーは最高飛躍の2倍となる34秒の飛行で高度80.1メートル（263フィート）まで上昇した。[100] 2013年8月の7回目の試験では、機体は60秒間の飛行中に高度250メートル（820フィート）まで飛行し、発射台に戻る前に100メートル（330フィート）の横方向操作を実行した。[101]グラスホッパーは2013年10月7日に8回目で最後の試験飛行を行い、高度744メートル（2,441フィート）まで飛行した後、8回目の着陸に成功した。[102]グラスホッパーの試験機は現在退役している。[103]
ファルコン9再利用可能開発機
2012年10月には、スペースXは第2世代のグラスホッパー試験機の開発について議論していた。この機体は、ロケットの側面に折りたためる軽量の着陸脚と、別のエンジンベイを持ち、最初のグラスホッパー機体より約50%長くなる予定だった。[95] 2013年3月、スペースXは、2013年初頭にスペースXロケット開発試験施設で適格性試験に使用されたファルコン9 v1.1第1段タンクから、より大型のグラスホッパー級弾道飛行機が製造されると発表した。これは、伸縮式着陸脚を備えたF9R Dev1として改造された。2014年には5回の試験飛行が行われた。[74]
2番目のVTVL飛行試験機であるF9R Dev1は、はるかに長いファルコン9 v1.1第1段燃料タンクと格納式着陸脚を搭載し、2014年4月17日に最初の試験飛行を行った。[74] [92] F9R Dev1は、テキサス州マクレガー地域での低高度試験飛行（予測最高高度3,000メートル（10,000フィート）未満）に使用され、[74]合計5回の試験飛行が行われ、すべて2014年に行われた。この機体は、2014年8月22日の5回目の試験飛行中に安全対策として自爆した。[104]
2014年4月までに、3番目の飛行試験機であるF9R Dev2が製造され、ニューメキシコ州のスペースポートアメリカにある高高度試験場で飛行する予定で、高度91,000メートル（300,000フィート）以上の飛行が予定されていました。[74] SpaceXが高高度試験プログラムを、有料の軌道打ち上げと上昇に使用した使用済みブースターの制御降下試験に移行したため、飛行することはありませんでした。
ドラゴンフライ
ドラゴンフライは、低高度飛行試験を目的とした弾道再使用型ロケット（ RLV）であるスペースXドラゴンカプセルの推進着陸版の試作試験機である。2014年5月の時点では、2014年から2015年にかけてテキサス州マクレガーロケット試験施設で試験プログラムを受ける予定であった。[32] [105] [更新が必要] [update]
DragonFly試験機は8基のSuperDracoエンジンで駆動され、推進システム設計のフォールトトレランスをサポートするために冗長パターンで配置されている。 [106] SuperDracoはモノメチルヒドラジン（MMH）燃料と四酸化二窒素酸化剤（NTO）の貯蔵可能な推進剤混合物を使用する。これは、第1世代のDragon宇宙船の姿勢制御と操縦に使用された小型のDracoスラスタで使用されたものと同じ推進剤である。 [105] SuperDracoエンジンは73,000ニュートン（16,400ポンド）の推力を発揮できるが、DragonFly飛行試験機での使用中は、機体の安定性を維持するために各エンジンは68,170ニュートン（15,325ポンド）未満に絞られる。 [105]
2013年から2014年にかけて、高度約10,000フィート（3,000メートル）のヘリコプターから投下される飛行で、2回の推進補助（パラシュートとスラスター）と2回の推進着陸（パラシュートなし）を含む30回の飛行の試験飛行プログラムが提案された。他の26回の試験飛行は発射台から離陸すると計画されており、8回は推進補助ホップ（パラシュートとスラスターでの着陸）で、18回はグラスホッパーおよびF9R Devブースター段階の試験飛行に似た完全な推進ホップである。 [105] [106] 2014年時点では、DragonFly試験プログラムは、マクレガー施設でのF9R Dev1ブースター試験が完了するまで開始されないと予想されていた。 [106] [更新が必要][update]
ファルコン9ブースターのミッション後飛行試験
打ち上げロケットとしては非常に異例な取り決めで、SpaceXは2013年に、軌道飛行のブースト段階を完了した後、ファルコン9 v1.1ロケットの第1段の一部を推進力帰還制御降下飛行テストに使用し始めました。 1957年の宇宙飛行の出現以来、打ち上げロケットのブースターは通常、ペイロードを飛行中に打ち上げた後に廃棄されていました。SpaceXが開始した海上テストは、ヴァンデンバーグ空軍基地（カリフォルニア州）の南とケープカナベラル空軍基地（フロリダ州）の東の太平洋と大西洋で行われました。最初の飛行テストは、 CASSIOPEとナノサットのペイロードがブースターから分離された第2段の後に、2013年9月29日に行われました。これらの降下および模擬着陸テストはその後2年間にわたって継続され、2回目の飛行テストは2014年4月18日に実施され、[26] [29] [90] 2014年にさらに2回のテスト、2015年に4回のテストが実施されました。[107] SpaceXは、2016年から2018年にかけてのFalcon 9およびFalcon Heavyの飛行で、ブースターの設計、および特定の再利用可能な技術、降下プロファイル、推進剤マージンに反復的かつ段階的な変更を加え、設計と運用パラメータを微調整し続けました。これらの降下および着陸テストの多くは、SpaceXの顧客向けのアクティブな軌道宇宙飛行ミッションでテストされ、ブースターが大気圏に再突入し、回復可能な着陸を試みました。
再突入と制御降下
2013年9月に行われた最初のブースター制御降下からの飛行試験データの分析に続いて、スペースXは、この飛行で大量の新技術の試験に成功したこと、およびグラスホッパー低高度着陸実証機で達成された技術進歩と相まって、ブースター段の完全回収試験の準備が整ったと発表した。最初の飛行試験は成功し、スペースXは「真空から極超音速、超音速、遷音速への遷移に成功し、エンジンを点火し、ステージを[大気圏]中ずっと制御することができた」と述べた。[25]マスク氏は、「ファルコン9の第1段回収の次の試みは、アップグレードされたロケットの4回目の飛行になります。これは、ISS[国際宇宙ステーション]への3回目の商業ドラゴン貨物飛行になります」と述べた。[27]
この2回目の飛行試験は、2014年4月のドラゴン宇宙船のISSへの飛行中に行われた。スペースXは、NASAと契約した3回目の貨物補給ミッションで第2段の点火後、第1段に着陸脚を取り付け、海上で減速し、模擬着陸を水上で試みた。第1段は、大西洋上で軟着陸できるほど減速することに成功した。[29]スペースXは、2014年2月に、極超音速から亜音速領域までの精密制御が証明されるまで、第1段ブースターを海に着陸させる試験を継続する意向を発表した。[90] 2014年の残りの期間から2015年4月にかけて、さらに5回の制御降下試験が実施された。これには、発射場の東側の大西洋に浮かぶ着陸プラットフォーム（スペースXが製造した自律型宇宙港ドローン船）への着陸の2回の試みが含まれており、どちらの試験でも機体は着陸プラットフォームに到達したが、どちらも着陸に成功しなかった。
地上パッドへの最初の着陸
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2015年の打ち上げ休止期間中、スペースXはFAAに次の飛行を海に浮かぶプラットフォームではなくケープカナベラルに戻すことを試みる規制承認を要請した。目標は、リースされたランディングゾーン1施設（スペースXが最近大型ロケット着陸パッドを建設した旧発射施設13 ）にブースターを垂直に着陸させることだった。 [108] FAAは2015年12月18日に地上着陸の安全計画を承認した。[109]第一段は12月21日20時38分（UTC 12月22日01時38分）に目標地点に無事着陸した。[110] [107]
第一段ブースターB1019は、この飛行後二度と飛ぶことはなかった。[111]むしろ、ロケットは数マイル北にある発射台39AのSpaceX格納庫施設に移され、隣接するケネディ宇宙センターでSpaceXによって改修され、2016年1月15日に元の発射台である発射施設40で静的火災試験を行う前に検査された。[112]この試験は、回収されたブースターの健全性と、このロケット設計が将来繰り返し飛行できるかどうかを評価することを目的としていた。[113] [107]試験では、外側のエンジンの1つで推力の変動が見られた以外は、全体的に良好な結果が得られた。[113]イーロン・マスクは、これは破片の飲み込みが原因かもしれないと報告した。[114]その後、ブースターはカリフォルニア州ホーソーンのSpaceX施設に退役した。
ドローン船への着陸の試み
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ファルコン9フライト21は2016年1月17日にジェイソン3衛星を打ち上げ、太平洋沖約200マイル（320 km）に位置する浮体式プラットフォーム「 Just Read the Directions」[115]への着陸を試みた。飛行開始から約9分後、アップリンク衛星へのロックが失われたため、ドローン船からのライブビデオフィードがダウンした。機体は船にスムーズに着陸したが、4本の着陸脚のうち1本が適切にロックされなかった。これは、打ち上げ前の濃い霧による氷でロックアウトコレットがラッチできなかったためと報じられている。[116]その結果、ブースターは着陸直後に倒れ、パッドへの衝突時に爆燃して破壊された。 [117] [118]
フライト22は、静止トランスファー軌道（GTO）へ5,271キログラム（12,000ポンド）の重いペイロードを運んでいた。これは、わずかに亜同期にすることで可能になったGTOへの最大揚力として以前に宣伝されていたものよりも重かった。フライト19の失敗による遅延の後、スペースXはSES-9衛星を超同期にするために追加推力を提供することに同意した。[119]これらの要因の結果、通常のマージンで完全な再突入および着陸テストを実行するための推進剤がほとんど残っていなかった。その結果、ファルコン9の第1段は分離後に弾道軌道をたどり、高速で大気圏に再突入し、着陸に成功する可能性が低くなった。[120] [119]大気圏への再突入と制御降下は、余分な速度のために第1段の空気力学的制約が高かったにもかかわらず成功した。しかし、ロケットはあまりにも速く動いていたため、無人機船と衝突して破壊された。 SpaceX は、GTO ミッションからブースターを回収するために必要な拡張飛行範囲に関する貴重なデータを収集しました。
海上での最初の上陸
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2015年1月から、スペースXはロケットの軌道に沿って海岸から数百マイル離れたところに安定した浮遊プラットフォームを配置しました。これらの改造されたバージは、自律型宇宙港ドローン船と呼ばれていました。[121] 2016年4月8日、フルスラストバージョンの3回目の飛行であるファルコン9フライト23は、第1段が大西洋上でブーストバックと再突入操作を行っている間に、国際宇宙ステーションへの途中でスペースX CRS-8貨物を運びました。打ち上げから9分後、ブースターはフロリダの海岸線から300km離れたドローン船オブコースアイスティルラブユーに垂直に着陸し、スペースXの再利用開発プログラムにとって長年待ち望まれていたマイルストーンを達成しました。[122]
2度目の無人機着陸成功は2016年5月6日で、次の飛行ではJCSAT-14がGTOに打ち上げられた。この2度目の海上着陸は前回よりも困難だった。分離時のブースターの速度が約8,350 km/h (5,190 mph) だったのに対し、CRS-8の低地球軌道への打ち上げでは6,650 km/h (4,130 mph) だったためだ。[123]飛行エンベロープの限界をテストする実験を進める中で、SpaceXは以前の試みで見られた単発エンジンの燃焼ではなく、3つのエンジンによるより短い着陸燃焼を選択した。このアプローチでは、ステージをできるだけ長く自由落下させ、より急激に減速することで燃料消費量を抑え、重力に対抗するために消費されるエネルギー量を最小限に抑えることができる。[124]イーロン・マスクは、この第1ステージは再び飛行することはなく、地上テストで他のステージが良好であることを確認するためのライフリーダーとして使用される可能性があることを示唆した。[125]
5月27日には3度目の着陸に成功したが、これもGTO打ち上げに必要な高速からの減速の後に行われた。着陸により片方の脚の「クラッシュコア」が潰れ、無人機船上に立っていたステージが著しく傾いた。[62]
通常の手順
その後のミッションを通じて、第 1 段の着陸は徐々に日常的な手順となり、2017 年 1 月以降、SpaceX は着陸の試みを「実験的」と呼ばなくなった。ISS への低エネルギー ミッションは発射場まで飛行して戻り、LZ-1に着陸するが、より要求の厳しい衛星ミッションは数百マイル先のドローン船に着陸する。EchoStar 23などの重いペイロードを積んだ不定期のミッションでは、着陸を試みず、フィンや脚のない使い捨て構成で飛行する。
2016年から2017年にかけて、SpaceXは地上船と無人船の両方に多数の第一段を回収し、ブースターを迅速に再利用するために必要な手順の最適化を支援しました。2016年1月、イーロン・マスクは、2016年のすべての着陸試行の成功確率を70％と見積もり、2017年には90％まで上がることを期待しています。また、彼は「RUD（Rapid Unscheduled Disassembly、衝突時の機体の破壊を表すマスクの頭文字）がさらに数回発生することを予想する必要がある」と警告しました。[126]マスクの予測は立証され、2016年には飛行した8基のうち5基（63%）、2017年には14基のうち14基（100%）が回収された。重量物積載のGTOミッション3回（ 2017年3月のエコースター23号、 2017年5月のインマルサット5F4号、2017年7月のインテルサット35e号）は、着陸用の装備をしていない使い捨て構成で飛行した。回収できたはずのブースター1基は、意図的に脚なしで飛行し、海にソフトタッチダウンした後沈没させた（ 2017年12月のイリジウムNEXT31-40ミッションのブースターB1036号）。
第一段階の再利用
2018年8月6日現在[update]、SpaceXは以前のミッションから21個の第1段ブースターを回収しており、そのうち6個は2回回収され、合計27回の着陸を達成した。2017年、SpaceXは20回のミッションのうち5回で再利用ブースターを使用した( 25%)。合計で、2018年8月現在、14個のブースターが再飛行されている[update]。
2016年7月28日、JCSAT-2Bミッションの第1段が、SpaceXのマクレガー施設で全期間の試験発射に成功しました。[127]最初の再利用の試みは、2017年3月30日のSES-10の打ち上げで行われ、[128 ]その結果、2016年4月のCRS-8ミッションから回収されたB1021第1段の飛行と2回目の着陸が成功しました。 [130] 2017年6月には、2017年1月のイリジウムNEXTミッションのB1029ブースターを搭載したBulgariaSat-1の再飛行が成功しました。[131]ブースターB1031は2017年2月にISSへのCRS-10ミッションに使用され、2017年10月には通信衛星SES-11を静止軌道に打ち上げるのに貢献した。ブースターB1035とB1036は、同じ顧客のためにそれぞれ2回使用され、B1035は2017年6月と12月にNASAのCRS-11とCRS-13ミッションに使用され、B1036は同じく2017年6月と12月にイリジウムNEXT衛星10基の2バッチに使用された。B1032は、2017年5月のNROL-76の後、2018年1月にGovSat-1に再利用された。
スペースXは再利用される最初のブースターであるB1021の改修に4か月を費やし、約1年後に再打ち上げました。[132]再飛行される2番目のブースターであるB1029は、「わずか2か月」で改修され[4]、5か月後に再打ち上げられました。[131]イーロン・マスクは、第1段を24時間以内にターンアラウンドするという目標を表明しました。[133]マスクは、この長期目標はスペースXによって達成できると確信していますが、[134]ファルコン9の設計で目標が達成されるとは述べていません。
ブースターB1019とB1021は退役し展示された。[いつ? ] B1029もBulgariaSat-1ミッション後に退役した。B1023、B1025、B1031、B1035は2度目の回収が行われ、B1032とB1036は軟着陸後に意図的に海上に沈められた。[135]
2019年半ばまでに、SpaceXは、これまで単一のブースターの再飛行は3回しか行われていなかったが、2019年末までに単一のブースターを少なくとも5回使用する計画を示した。[136]このタイムラインを達成したブースターはなかったが、B1048は4回飛行し、さらに2つ（B1046とB1049）が2020年1月に4回目の飛行を行った。2020年3月、SpaceXは初めてブースター（B1048）を5回目の飛行に成功した。[137]
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ファルコンヘビーの再利用性
ファルコン・ヘビーのテスト飛行には契約顧客がおらず、そのような飛行のコストを抑えるために、スペースXはサイドブースターの再利用を目標とした。ファルコン9の構成で飛行したブースターB1023とB1025は再構成され、2018年2月のファルコン・ヘビーの初飛行でサイドブースターとして使用され、その後、両方がほぼ同時に地上パッドに並んで着陸した。その後のファルコン・ヘビーの飛行では、新しいブースターか、以前にファルコン・ヘビーで飛行したサイドブースターが使用された。スペースXは、最初の3回のファルコン・ヘビーの飛行で中央コアを回収することができなかったが、6つのサイドブースターすべてを回収することに成功した。[138]
ブロック5ブースター
2016年から2018年初頭にかけて、第1段の回収に19回連続で成功したことから、SpaceXは第1段ブースターの迅速な再利用に注力してきた。ブロック3とブロック4は、2017年と2018年に11機の再飛行が行われており、2回の飛行が経済的に実現可能であることが証明された。ブロック5は複数回の再利用を念頭に置いて設計されており、最小限の検査で最大10回、改修で最大100回の使用が可能となっている。[139] 2018年初頭には、使い捨てのブロック3およびブロック4ブースターを使用して、将来のブロック5で可能性のある回収可能な打ち上げマージンの範囲の限界をテストするために、新しい積極的な再突入プロファイルが実験された。 [140] 2021年5月9日、B1051は10回目の打ち上げと着陸を果たした最初のブースターとなり、SpaceXの再利用に関するマイルストーン目標の1つを達成した。[141] 2024年4月現在、[update]再利用記録は20飛行である。
フェアリングの再利用
ペイロードフェアリングは伝統的に使い捨てであり、大気圏で燃え尽きるか、海に衝突して破壊されるかのいずれかであった。2015年半ばの早い時期に、マスクは、バハマ沖で未確認のファルコン9ロケットの残骸が発見されたことを受けて、スペースXがフェアリングの再利用に取り組んでいる可能性があることを示唆し、その後、スペースXによって、それが海岸に打ち上げられたペイロードフェアリングの一部であることが確認された。[142] 2016年4月までに、スペースXはファルコン9フェアリングの回収を目標として公表した。[42]フェアリングのコストは打ち上げ1回あたり約600万ドルで、これは全体の打ち上げコストの約10％を占める。[143]マスクは2017年に次のように述べている。「600万ドルの現金が入ったパレットが空を飛んでいて、海に激突しようとしていると想像してください。それを回収しようとしますか？ はい、そうします。」[144]
2017年3月、SES-10ミッションの一環として、スペースXは初めてペイロードフェアリングの制御着陸を行い、姿勢制御スラスタと操縦可能なパラシュートの助けを借りてフェアリングの半分を回収し、水面に穏やかに着陸するように滑空することに成功した。[3] [42]同社は、フェアリングを最終的に乾燥した柔軟な構造物に着陸させる意向を発表した。マスク氏はこれを「浮かぶバウンシーキャッスル」と冗談交じりに表現し、フェアリングを完全に再利用することを目指している。[80]数回の飛行で連続的なテストと改良を経て、2017年の目標としてフェアリングの完全な回収が発表され、回収されたフェアリングの再飛行は2018年に計画されている。[43]
「バウンシー キャッスル」ミームは、実際にはミスター スティーブン (現在は GO ミズ ツリー)という名の高速プラットフォーム補給船の大きなアームの間に張られたネットでした。回収船にはダイナミック ポジショニングシステムが搭載されており、 2017 年にヴァンデンバーグ空軍基地からPaz衛星が打ち上げられた後にテストされました。[145] [146]このミッションは、バージョン 2 フェアリングを使用した最初のミッションでもあり、これは「打ち上げ後の回収試行の生存性を向上させ、将来のミッションで再利用できるようにする」ことを明確に目的としていました。[147]この回収試行は完全には成功しませんでした。フェアリングはボートから数百メートル外れましたが、そのまま水に着水し[148]、その後回収されて港に戻されました。[146] 2018 年 8 月の時点で、SpaceX が回収船にフェアリングを着水させる 4 回の試みはすべて失敗しており、 2018 年 7 月の試みの前にミスター スティーブンに大きなネットを取り付けていたにもかかわらずです。 [149] [150][update]
2018年10月には、スティーブン氏とヘリコプターが関与し、フェアリングの半分を約3300メートルの高さから落下させるという、少なくとも2回のフェアリング回収テストが実施された。テストの結果は不明である。[151]
2019年4月、2回目のファルコン・ヘビーミッション中に、回収船ゴー・サーチャーがフェアリングの半分を海から引き上げ、そのフェアリングがスターリンクミッションで使用されることが発表された。[152]これらのフェアリングは2019年11月11日のスターリンクミッションで再利用された。 [153]
2019年6月、3回目のファルコン・ヘビーの打ち上げ後、初めてフェアリングの回収に成功した。打ち上げから数時間後にTwitterに投稿された画像には、回収船GO Ms. Treeの網にフェアリングの半分が捕獲されている様子が写っていた。[154]
2020年後半までに、ペイロードフェアリングはSpaceXによって定期的に回収されるようになり、SpaceXはフロリダの打ち上げ場からほとんどの打ち上げでフェアリングを回収するために、カスタム改造された2隻の回収船、 Ms. TreeとMs. Chiefを派遣しました。この頃までに、SpaceXは回収したフェアリングを定期的に打ち上げに返送していましたが、通常はスターリンク衛星が主要または唯一のペイロードである自社のフライトで返送していました。しかし、2020年8月時点では[update]、ネットランディングの成功はまだ日常的ではなく、過去3か月間のフェアリングの半分以下がネットに引っかかっていましたが、それでも大部分は海に軟着陸した後で回収されました。
2021年4月までに、スペースXは高速船のネットでパラシュート降下中の乾いたペイロードフェアリングを回収する実験プログラムを断念した。スペースXは、そのようなフェアリングをより経済的に洗浄、改修、再利用できることがわかったため、将来のファルコン9飛行でフェアリングの「ウェットリカバリ」を運用化することを決定した。[155]スペースXはミスツリーとミスチーフを契約から解放し、フェアリングの回収作業と東海岸でのドローン船の牽引と支援のために2隻の船を購入した。これら2隻は、デモ2の宇宙飛行士ダグ・ハーリーとボブ・ベンケンに敬意を表してダグ[156]とボブと名付けられた。ボブとダグの以前の名前はそれぞれエラGとイングリッドだった。現在、ダグはポートカナベラルで運用されており、ボブはタンパで建設中である。
2021年5月26日までに、スペースXは少なくとも1回飛行したフェアリングの半分を再飛行させる40回の飛行を実施し、1つのフェアリングは過去4回回収・洗浄され、5回の飛行で飛行した。[144]
第二段階の再利用
SpaceXは当初、ファルコン9の第2段も再利用可能にする努力をすると公式に発表していたが、2014年後半までに、再突入熱シールド、着陸エンジン、第2段の回収をサポートするその他の機器に必要な質量と、開発リソースを他の会社の目標から転用することが当時としては法外であると判断し、ファルコンロケットの第2段再利用計画を無期限に停止した。[157] [158]しかし、2017年7月[43]に、再利用性についてさらに学び、スターシップの開発プロセスに役立てるために、1つ以上の第2段を回収する実験テストを行う可能性があることを示唆し、 [159] 2018年5月には、そのテストの一部をどのように実行するかについての追加の詳細を提供した。[160]
スターシップは、2020年代半ば以降、スペースXの既存のすべての打ち上げロケットと宇宙船（ファルコン9、ファルコンヘビー、ドラゴン宇宙船）を置き換える予定であり、当初は地球周回軌道打ち上げ市場を対象としているが、地球近傍月および火星ミッション環境での長期宇宙飛行をサポートする機能も備えている。 [161]どちらのステージも完全に再利用可能である。統合された第2段と宇宙船の設計は、以前の打ち上げロケットでは使用されていなかった。[161]
ドラゴンカプセルの再利用
スペースXのドラゴンカプセルは、再利用のために徐々に改良されてきた。構造要素と内部部品は飛行の合間に改修され、耐熱シールドは新しいミッションごとに交換される。最後に新しく製造されたドラゴン貨物カプセルは2017年7月に初飛行し、その後のISS補給ミッションはすべて改修されたカプセルで実施され、[162]一部のカプセルは3回目の飛行を行った。[163] [164]ドラゴンのトランク部分は、ミッション完了後に大気中で燃え尽きるように設計されているため、再利用できない。[165]
SpaceX Dragon 2カプセルも再利用される。当初はNASAのすべての有人ミッションに新しいカプセルを使用する予定だったが[166] 、実証ミッションの経験から、NASAとSpaceXはCrew-2から再利用することに合意した。[167] [168]
業務フロー
実験テスト飛行からステージが無事に帰還した最初の年に、SpaceX は着陸に成功した各ステージに対して、アドホックおよび飛行固有の評価とコンポーネント テストを実施しました。ステージは、発射格納庫で処理され、初期評価が行われました。また、ケープ カナベラル着陸の場合は、SpaceX がケネディ宇宙センター発射施設 39に最近完成した新しい格納庫で処理されました。帰還したロケット部品は、エンジニアリング評価とテストのために、 SpaceX ホーソーンとSpaceX マクレガーにも輸送されました。
2017年2月、8基のロケットコアが着陸に成功した後（うち7基はケープカナベラルから打ち上げられた）、スペースXはロケットの処理と改修を行うための物理的な施設を拡張する計画を発表した。スペースXはリースしたスペースとフロリダ州ポートカナベラルに建設される新しい建物の両方で作業を行う予定である。ポートカナベラルは、大西洋自律宇宙港ドローン船が停泊している場所の近くで、東海岸のドローン船に着陸したステージが船から取り外される場所でもある。[169]
スターシップの再利用性開発
スターシップ打ち上げシステムの目標は、完全に再利用可能な軌道打ち上げおよび再突入機になることです。[170]スターシップ打ち上げシステムは、スーパーヘビーブースターとスターシップ宇宙船の2段階で構成されています。[171]両方ともSAE 304Lステンレス鋼製のボディを持ち、 [172]液体酸素と液体メタンを保持するように設計されています。スーパーヘビー、次にスターシップがペイロードを軌道速度までブーストし、その後両方とも着陸して再び使用できます。スターシップは最大150メトリックトン（330,000ポンド）（完全再利用可能）を低地球軌道に送ることができます。[173]タンカースターシップで燃料補給した後、より高い地球軌道やその他の軌道にアクセスできます。将来計画されているスターシップの派生型は、月と火星に着陸できるようになります。[174]スターシップの設計は、テランRの部分的な再利用可能機能など、他の打ち上げ機に影響を与えています。 [175]
デザインの歴史
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スペースXがスターシップの打ち上げ能力を備えたロケットのコンセプトについて初めて言及したのは2005年のことだった。学生会議でマスクは、後にファルコンXXとして知られるコードネームBFRの理論上の大型打ち上げロケットについて簡単に言及した。 [176]これはマーリン2と呼ばれるマーリンエンジンの大型版を搭載し、140トン（31万ポンド）を低地球軌道に打ち上げることができる。[177] 2012年、火星植民地化計画の概念に関する公開討論で、マスクはマーズ・コロニアル・トランスポーターについて説明した。彼はこれを、約150〜200トン（33万〜44万ポンド）を低地球軌道に運ぶことができる再利用可能な超大型打ち上げロケットとして構想した。マーズ・コロニアル・トランスポーターはラプターエンジンを搭載し、液体メタンと液体酸素を消費する可能性がある。[178]
2016年9月、第67回国際宇宙会議で、マスク氏は惑星間輸送システム（ITS）を発表した。これは、人類を火星や太陽系の他の目的地に打ち上げるために考え出された再利用可能なロケットの概念である。ITSは高さ122メートル（400フィート）、幅12メートル（39フィート）で、300トン（66万ポンド）を低地球軌道に打ち上げることができる。[179]両段とも炭素複合材で作られる予定だった。第1段またはブースターは42機のラプターで駆動され、第2段は9機のラプターで駆動される。[180]地球周回軌道上で燃料補給されると、宇宙船は火星まで加速できる。[181]惑星間宇宙船が大気圏に突入すると、蒸散によって冷却され、デルタ翼とスプリットフラップを動かして宇宙船の降下を制御します。[182]次の議会で、マスクはビッグファルコンロケットまたは非公式にはビッグファッキングロケットと呼ばれる代替ロケットを発表しました。ビッグファルコンロケットは高さ106メートル（348フィート）、幅9メートル（30フィート）です。[183] その会議で、彼は可能性のある弾道輸送機能について話し、それを地球から地球と名付けました。[184]
2018年11月、現在の名前が初めて使用されました。ブースターはスーパーヘビー、宇宙船はスターシップ、そして宇宙船全体はスターシップシステムまたは単にスターシップです。[185]その頃、マスクは3つの後方フラップと2つの前方フラップを備えた再設計された宇宙船のコンセプトを発表しました。[186] 2019年1月、マスクはスターシップがステンレス鋼で作られると発表し、これは幅広い温度範囲で同等の炭素複合材よりも強度がある可能性があると述べました。 [187] 3月、マスクはスペースXが蒸散ではなく六角形のセラミックタイルで構成されたヒートシールドを選択したとツイートしました。[188] 10月、スターシップ宇宙船のエンジン構成は、大気圧に最適化された3つのラプターと宇宙に最適化された3つのラプターに変更されました。[189]後部フィンの数は3つから2つに削減され、ヒートシールドの端に配置されました。[190]
テスト
2019年8月27日、スターホッパーと名付けられた簡易試験機が150メートル（490フィート）の高さまで飛び上がった。[191] 2019年9月のSpaceXのイベントで発表されたスターシップMk1（マーク1）は、最初に建造されたフルスケールのスターシップ試験機だった。フロリダのMk2はその5ヵ月後に建造された。[192]どちらも飛行せず、Mk1は極低温実証試験中に破壊され、Mk2は廃棄された。[193] 2020年初頭、SpaceXはMk3の名前をSN1（シリアルナンバー1）に変更した。[194] 2021年2月28日の極低温実証試験中に、SN1の底部タンクの故障により崩壊した。2020年3月8日、SN2の簡素化された試験タンクが唯一の極低温実証試験を完了した。[195] 2020年4月3日、SN3の極低温耐性テスト中に、バルブから下部タンク内の液体窒素が漏れ、容器が減圧されて崩壊した。[196] 2020年5月29日のSN4の5回目の静的火災テストに成功した後、クイックディスコネクト燃料ラインが爆発を引き起こした。[197] 2020年6月15日、マスクは新しいプロトタイプは301ステンレス鋼ではなくSAE 304Lで作られるとツイートした。 [172] 2020年8月4日、SN5は単一のラプターを使用して150メートル（490フィート）のホップを完了し、飛行テストを無傷で完了した最初の実物大のテスト物品となった。[198] 2020年8月24日、SN6はSN5の飛行経路を正常に再現した。[199] SN7は完成しなかったが、2021年10月現在、そのタンクは様々な実験のために回収されている。[200]
SN8は最初の完全な試験品だった。[201] 2020年10月と11月に、SN8は4回の静的火災試験を受けた。1回目、2回目、4回目は成功したが、3回目でエンジンが停止した。マスクによると、エンジンからの力で発射台の一部が破壊され、その破片がエンジンの中に飛び込んだという。[202] 2020年12月9日、SN8はスターシップによる初飛行を行い、高度12.5km（7.8マイル）に到達した。着陸中、メタンヘッダータンクがラプターに十分な燃料を供給せず、1つのエンジンからの推力が低下した。試験品は衝突で爆発した。[203] 2021年2月2日、SN9は高度10km（6.2マイル）を飛行した。[204]降下中にエンジンの1つが機能せず、斜め着陸時に破裂した。[205] 2021年3月3日、SN10はSN9と同じ飛行経路をたどり、 8分後に着陸して爆発し自滅した。[206]
最初のスーパーヘビーブースターBN1（ブースター番号1）は2021年3月8日に建造が完了したが、エンジンはまだ搭載されていなかった。[207] 2021年3月30日、SN11は発射場の濃霧のため、確認された原因もなく空中で爆発した。[208]考えられる原因としては、エンジンが試験体のアビオニクスを焼き、エンジンのターボポンプのハードスタートを引き起こした可能性がある。 [209]打ち上げ後、スペースXはSN12、SN13、SN14、BN2をスキップし、代わりにSN15に旧式の試験体の改良を組み込んだ。[210] 2021年5月5日、試験体は以前の試験体と同じ飛行経路を飛行し、軟着陸に成功した。[211] [212] 2021年7月20日、BN3が唯一エンジンを点火した。[213] 2021年10月現在、SN15、SN16、BN3は退役し展示されている。[211] [214]
SN15の飛行後、SpaceXは弾道飛行キャンペーンを終了し、ほぼ2年間にわたって地上でプロトタイプをテストしました。ブースター3は2021年7月に最初の静的燃焼テストを実施し、その後のブースターはエンジンの数を増やして静的燃焼テストを実施しました。ブースターの上に船を積み重ねることは、2021年8月にシップ20とブースター4で初めてテストされました。並行して、軌道打ち上げマウントが打ち上げをサポートするためにアップグレードされました。
ブースター7号とシップ24号は、2023年4月20日に最初の統合飛行試験のために打ち上げられ、軌道の4分の3を飛行してハワイ近海の海上に再突入する予定であった。ロケットは発射台を離れ、3分間飛行したが、飛行中にいくつかのブースターエンジンが故障し、ロケットは最終的にステージ分離前に制御を失い、最大高度39 km（24マイル）に達した。飛行終了システムが作動し、その後の爆発でロケットは破壊された。[215]打ち上げにより発射台下のコンクリートパッドが破損したため、SpaceXはその後の打ち上げのためにそれを水冷式鋼板に交換した。[216]
ブースター9号とシップ25号は、2023年11月18日に第2回統合飛行試験で打ち上げられ、最初の飛行と同じ計画軌道をたどった。[217]ブースター7号とは異なり、ブースター9号はブーストバック燃焼の開始までエンジン故障がなく、現時点では原因不明の爆発が発生した。[218 ]シップ25号は、飛行終了システムによって破壊される前に、最終速度15000mph以上に達した。[219]
ブースター10とシップ28は、2024年3月14日に統合飛行試験3で飛行した。 [220]これは、以前の2回の打ち上げとは異なる軌道を持ち、インド洋への船の激しい着水を目指していた。[220]上昇中およびブーストバック中はエンジン故障はなかったが、着陸時の燃焼中に、B10の中央エンジンのうち1つを除くすべてが故障した。[220] S28はラプター再点火の試みが中止され、再突入中に燃え尽きた。[220]
2024年6月6日、スペースXはIFT-4ミッションでブースター11号とシップ29号を打ち上げた。打ち上げ直後にエンジン1基を停止した後、スターシップはIFT-3と同様の軌道をたどり続けたが、ラプター再点火は試みられなかった。ブーストバックバーンを実施し、ホットステージングリングを投棄した後、スーパーヘビーは正常に再突入して着陸し、[221]スペースXの幹部ビル・ゲルステンマイヤーは、0.5センチメートルの精度で着陸したと述べた。スターシップは計画された軌道に戻り、約40分後に再突入を開始した。シップ28よりもはるかに優れた姿勢制御を実証したが、再突入のより激しい部分でフラップを通してプラズマ燃焼が発生した。[222]スターシップが空力制御に頼っていたフラップに大きな損傷があったにもかかわらず、目標から6キロメートル外れたものの、着水に成功した。
ブースター12号とシップ30号は2024年10月13日に打ち上げられた。ブースターはステージ分離まで33基のエンジンすべてを点火し、その後ブーストバック燃焼に成功した。 [223]機体は再突入し、発射塔に無事キャッチされた。[223]シップ30号は目的の軌道に到達し、突入まで姿勢制御を維持した。[223]再突入中にフラップに生じた損傷は最小限に抑えられ、目標地点への着陸燃焼に成功した。[224]
- スターシップのテスト記事の写真
-
建設中のスターホッパー -
建設テントの近くにあるスターシップ Mk1 のノーズコーン -
スターシップSN5を持ち上げるクレーン -
スターシップSN7のタンク -
発射台に上がったスターシップSN9 -
スターシップSN20のセラミックタイルを検査する作業員 -
ブースター7号とシップ24が飛行中 -
シップ25とブースター9 -
ブースター12号機が発射塔に向かって降下中
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参照
注記
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氏：「今後の飛行で [SpaceX は] 上段の再突入の経験に関するデータを収集します。これまで、上段が廃棄燃焼した後のデータ収集にはあまり力を入れませんでした。ステージが分解する高度と速度を監視します...」このデータの収集は簡単ではありません。マスク氏は、「流星のようにやってくるので難しいです。プラズマの球のようなものです。斜め後方にしか送信できないため、おそらく [イリジウム コンステレーションと] 通信して、温度、ステージの基本的な状態、速度、高度に関する基本データを送信しようとします」と説明しました。
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外部リンク
- 2013 年 10 月 7 日、高度 744 メートル (0.462 マイル) までの 8 回目かつ最後の低高度 Grasshopper v1.0 テスト飛行のビデオ。
- 2013 年 9 月 29 日、大西洋に衝突する直前のファルコン 9 ブースター制御降下テストの低解像度写真。
- ファルコン 9 再使用型開発機 1 号 (F9R Dev1) の 1 回目のテスト飛行のビデオ。高度 250 メートル (0.16 マイル) まで飛行し、ホバリングして、発射台のすぐ横に着陸しました (2014 年 4 月 17 日)。
- CRS-3 ブースター ステージ着陸テストのビデオ (2014 年 4 月): 低品質、破損したデータ (2014 年 4 月 30 日にWayback Machineにアーカイブ) 。NSF チームによるオープン ソース復旧作業によってビデオ フレームが復旧された後、より高品質になりました。
- ORBCOMM ミッション 1 ブースター ステージ着陸テストの搭載カメラ ビデオ: Falcon 9 第一段帰還: ORBCOMM ミッション、SpaceX が公開した制御降下テストのビデオ、2014 年 7 月。
- ORBCOMM Mission-1 ブースター ステージ着陸テストの追跡機カメラ ビデオ: Falcon 9 第一段再突入映像 (飛行機から)、SpaceX が公開した制御降下テストのビデオ、2014 年 8 月 14 日公開。
- スペースXのロケットは打ち上げに成功したが、着陸テストにはわずかに及ばなかった、ロイター、アイリーン・クロッツ、2015年1月10日。