航空宇宙・防衛

【SpaceX】特集 <第1回> 冬コミスペシャル:Starship/Superheavyとは

はじめに

今回はあのSpaceXが開発を進めている超大型ロケット“Starship(スターシップ)”についてです!

今回は特別号、冬コミスペシャルです!

Starshipって何!?っていう初めての方から、ロケットが好き、SpaceXを追ってる!という人まで楽しめるような内容を目指して書いてみました!

今回は計算は登場しません(楽しみにしていた方、すみません、第二回以降で書くつもりです!)。Starshipってあまり情報がないけれど、そもそもどんな機体で何が革新的なの?という内容をまとめてみました。

今日はStarshipの異名”空飛ぶグレインサイロ”についての解説よ。5ページあるから時間のある時にゆっくり読んでくれたらなって思います、、、

この記事はこういう人向け

  • 今巷で名前をよく聞くSpaceXがどのようなロケットを開発しているのか知りたい
  • 宇宙開発やロケットが好きで、Starshipの日本語の説明が読みたい
  • 今回の記事のマニアック度:1 out of 5 stars

はじめに。Starshipは開発ペースが非常に早く、何パターンものプロトタイプが短期間に作られています。画像は2021/3月時点での一覧ですが、たった1年半程で作られた機体の例です。また画像以外にもSN1~SN10があり、3年間の間に20種類ものプロトタイプを作っていることになります。Starshipについての解説があまり存在しないのはこの開発ペースも関係しています。すぐに計画が変更されたり、情報が陳腐化してしまうぐらい開発が速いのです。

Starshipの概要

Starshipって何?

Starship (スターシップ) とは米SpaceX社が開発を進めているアポロ計画以来の超大型有人ロケットです。Starshipは打ち上げ時にブースターとして機能するSuperheavy booster (スーパーヘビーブースター) と実際に宇宙空間まで行くStarship (スターシップ) の2種類のロケットを積み重ねた二段式ロケットです。100t以上の貨物積載量(ペイロード)を誇り、火星への物資の大量輸送、そしてSpaceXが主要収益源として実現を目指しているStarlink計画の屋台骨として活躍が期待されています。

その大きさは全長120m全備重量5000t以上、アポロ計画で使用されたサターンV型ロケット(左)をも凌ぐ史上最大のロケット、史上最大の飛行物体です。その巨大さはSpaceXが現在運用している現行型のFalcon9 (右)と比べるとよく分かります。

*少し旧式の形状ですが、大体のスケール感です
Saturn Vとの比較

なお、日本がこれまでに開発した最大のロケットH2Bや現在開発を進めているH3ロケットはほぼFalcon 9 と同等のサイズです。Starshipはこれら”中型”ロケットに比べて質量で約10倍の大きさ。高層ビルほどあります。

A380, 747の断面図

機体の直径は9mあり、747やA380旅客機よりも太い胴体サイズです。とにかく力こそパワー、大きさは正義なロケットなのです。

アポロ計画のサターンV型ロケットも実物を見ると巨大さに圧倒されるけど、それよりも大きいっていかにもアメリカって感じするわよね。

Starshipは大きいだけではなく様々な革新的な機能を有しており、例えば:

  • 1段目(Superheavy)、2段目(Starship)共に着陸、再利用が可能
  • 着陸してから数時間以内に再打上げが可能
  • 火星基地現地で燃料が製造可能で地球と火星間を往来できる

など、旅客機並の運用頻度と、その気になれば何度も地球と火星を往復することすら可能な、まさに“宇宙船”と呼ぶに相応しいものになっています。

ちなみにStarlink計画とは、2万基以上の人工衛星から構成される衛星通信網で、携帯電波が届かない地域でも全世界に対して高速インターネット通信を実現するものです。

Starlinkだけでも事業規模は数兆円に上り、民間宇宙開発史上かつてない規模の巨大プロジェクトなのですが、火星移住への収益源を確保する言わば踏み台でしかない点には驚きを隠せません。スケールが違うとはまさにこのことでしょう、、、

地球上を小型衛星を覆い尽くし、全世界で高速無線インターネットを実現するStarlink計画

何のために作っているの?

世の中にロケット数多しと言えど、Starshipの目的は最も単純なものです。

“火星に人類を移住させたいから、それができるようになる超でかいロケット作りたい”

ちなみに公式見解としては、”月や火星、その他へ旅立つため”としています。

These test flights of Starship are all about improving our understanding and development of a fully reusable transportation system designed to carry both crew and cargo on long-duration interplanetary flights, and help humanity return to the Moon, and travel to Mars and beyond.

https://www.spacex.com/vehicles/starship/

創業者のイーロン・マスクはこの夢の実現のためにSpaceXはもちろん、30兆円以上の時価総額を誇るTesla(テスラ)自動車などを経営し、現在世界一の大金持ちです。自腹で壮大なスケールの遊びをしているのですから、誰にも文句を言われる筋合いはないですよね!

イーロン・マスクは変なネーミングをすることで有名で、例えばテスラの歴代モデルの名前は、モデルS、モデル3、モデルX、モデルY、並べるとS3XY (SEXY)、、”セクシー”の頭文字になっていたり、モデルEは他社に商標登録されていて使えなかったという逸話もあったりと、ギャグなのかまじめなのかわからないわ。

Starshipは英語で”宇宙船”、Superheavy boosterは“超重量級ブースター”というなんとも単純な名前で、元々はBFR (Big F*cking Rocket) “クソでかいロケット” という名前だったので少しはマシになったのかも。。。?

開発費

このような巨大なプロジェクトだからきっと開発費も、、、巨大です!実際の金額は公表されていませんが、Starship計画はSpaceXの社運を賭けたもので、総力戦で挑んでいます。多くの試算では開発費は1兆円以上と見られています。

資金償却レートも非常に高く最近では、多すぎる数のエンジンの製造コストでSpaceXが倒産の危機にある、とまで報じられています。

https://www.cnbc.com/2021/11/30/elon-musk-to-spacex-starships-raptor-engine-crisis-risks-bankruptcy.html

ただしアポロ計画は現在に換算すると25兆円、NASAが進めているSLSと月面ミッションは3兆円。これらと比べると、プロジェクトの規模が巨大な割にはかなり安価な開発費に押されられています。

機体の概要

機体は1段目Superheavyと2段目Starshipに分かれています。1段目は地上から打ち上げを行う際に2段目の加速を担当し、一般的なロケットのブースターと同じ役割を果たします。月や火星など重力が弱い惑星では、2段目だけで宇宙空間への到達が可能なため、Superheavyは専ら地球上からの打ち上げ専用です。

ロケットの1段目と2段目ではサイズ差があり、1段目のほうがより大きな推進力が必要です。このため通常はそれぞれ専用のエンジンが使われますが、SpaceXは基本的には一機種だけ開発し、1段目はエンジン搭載数を増やすことで推力を増やす方法を採用しています。

例えば液体エンジン1基+固体ブースター2基を採用するH2Aに対してFalcon 9 では1段目はエンジン9基、2段目は同じエンジンを1基、と言った具合です。Starshipではエンジン6基→9基(2021/12/30更新)、Superheavyではバージョンによって29~33基のエンジンが搭載されています。

  • Falcon9 1段目エンジン
  • Superheavy エンジンクラスター
  • H2Aメインエンジン

Superheavy booster

1段目Superheavyは全長約70m、空虚重量約300~350t。タンクの厚みは部位によって最大11mm、最小2mm程度で、大きさの比率で言えばアルミ缶よりも薄く作られており非常に軽量です。推進剤(燃料)を満タンにすると約3800tにもなり、29基あるエンジンの推力はそれぞれ185t、燃費の指標であるIspは330s程度です。帰還時の姿勢制御用に4箇所にグリッドフィンと呼ばれる”板”が搭載されており、自重をグリッドフィンのみ支えられる構造になっています。液体酸素(LOx)タンクはBN4では液化メタン(LCH4)タンクの下側ですが、バージョンによって上下がコロコロ入れ替わるため、今後も変更される可能性があります。

各部品についてはのちほど説明をして行きますので、こういうスペックなんだなぁ~ぐらいで読んでもらえたらと思います。

Superheavyは離床時は一般的な打ち上げ台座から行いますが、着率時はクレーン状の構造物にグリッドフィンを引っ掛けて回収するという異例の方式が採用されています。グリッドフィンは不要ピッチに配置されており、ピッチ方向とヨー方向で制御力を最適分配するほか、クレーン回収時に4枚すべてのフィンに荷重を分散できるように工夫させています。

海外ファンが作ったアニメーションで回収方式がよく分かるかと思います

かなり突拍子もない回収方式ですが、このような方式を採用する理由は主に下記が挙げられます:

  • 着陸の衝撃が緩和できるため、機体の軽量化が可能
  • 吊るして支える方式のため、着陸時の横転リスクが軽減可能
  • 荷重が集中する点をグリッドフィンだけにでき、軽量化が可能

です。着陸脚で衝撃を受けるためには、Falcon 9 のような巨大な着陸装置が必要となってしまうため、クレーン側に柔軟性を持たせ、衝撃を和らげることができます。

Superheavyは巨大な胴体に対して超軽量構造のため、推進剤(燃料)も固定機構もない状態で地上に直接着率するためには風の影響が大きく、安定性に不安が出がちです。これらを解消するのがクレーン方式です。

Falcon 9 が着陸後に転倒したり、バージの上で波にさらわれそうに、という場面は追っている方なら何度も見たことのある光景だと思います。機体直径9m、全長70mともなれば、高層ビル並の風を受けることになり、ちょっとした悪天候で着陸ができなくなってしまうのです。
ただ、これはかなりアバンギャルドな回収方式なので、フライトの結果次第では従来方式に戻る可能性もあるのではないかと考えています。

Superheavyの組み立て中の様子で大量のエンジンがぎっしりと詰まった1段目はなかなか壮観よね

多数のエンジンを搭載する似たような方式として旧ソ連がサターンVに対抗して開発したN1ロケットがあります。N1では1段目に30基のエンジンを搭載しており、巨大な機体をエンジンの数でカバーする脳筋さは未だ宇宙マニアの間では人気です。残念ながらいくつかのプロトタイプが作られたものの、月面到達前に計画は中止されてしまったのです。

かつて最大だったN1ロケット。ソビエトの魂そのものが宿った芸術作品です。

小型のエンジンを大量に搭載することは、機体で最も高価な部品であるエンジンの基数が増える脳筋方式ため、長年西側諸国では避けられてきました。しかしエンジンが1基や2基故障してもフライトに問題がない信頼性の観点や、大量生産によるコストダウン効果、そもそもサターンVのような超巨大エンジンを開発する難易度を考えると、むしろ安いと言えます。他国でも多数のエンジンを搭載する方式が見直される動きもあり、21世紀になってようやく利点が見直されてきたような気がします。

Starship

2段目Starshipは全長約50m、空虚重量約85~100t。推進剤搭載量は約1200tです。上半分はペイロード(積載貨物)を搭載する用のスペースで推進剤タンクは下部のみです。エンジンは1段目と同じものが3基、真空用ノズルを装着したものが3基→6基、合計6→9基(2021/12/30更新)搭載しています。真空用エンジンはIspは380sと言われています。機体表面の半分は大気圏突入用の耐熱タイルで覆われています。機体の上部と下部それぞれの小型の翼を備えていて、大気圏突入時に減速/姿勢制御に使います。

エイやマンボウのような形なので水中生物みたいですよね (汗)

Starshipの着陸方式は奇抜そのもので、スカイダイバーのように水平に落下しながら地面に接近し、着陸直前に機体を直立させる他に全く採用例のない方法です。着陸時は1エンジンが1基停止しても良いように3基同時に点火し、推力を調整しながら姿勢と落下速度を保ちます。

百聞は一見に如かず、着陸方法の映像を見てみましょう。

Starshipは形状も機能だけでなくサイズもかなり特徴的なロケットです。多くのロケットでは、全体サイズを最適化した結果 1段目に対して2段目の重量は1/10程度かそれ以下ですが、StarshipはSuperheavyに対して1/3近い重量があります。これにはいくつか理由がありますが:

  • 低軌道打ち上げミッション、月探査ミッション、火星探査ミッションなど幅広い用途があり、ペイロードの容積が非常に大きいため。
  • 月面や火星からの帰還のため、Starship単独でも十分な増速能力を有している必要があるため。
  • 打ち上げ後に軌道上で給油する前提で、膨大な燃料搭載量が確保できるため。
  • 小型の機体に比べて1段目の増速損失が少なく、相対的に重い2段目でもある程度加速が可能なため
  • 2段目は大気圏再突入を前提としており、高い空力荷重にも耐えられるため、早期に分離を行っても問題が起きづらい。

などが挙げられます。

従来のロケットの2段目が”2段目ブースター”であったのに対してStarshipは名実共に宇宙船として設計されています。

12/30追加

ちょうど記事を出した12/29に、2段目エンジン基数は9基であることが発表されました。Raptor SL 3基、Raptor vac 6基の構成のようです。さらに次号機体からは1段目にはRaptor 2を搭載予定とのことで、センタークラスタのエンジン数は9基から13基へ、推力が230tに増強されるとのこと。本当に開発が早いです!


https://www.teslarati.com/spacex-starship-upgrade-plans-elon-musk-2021/

共通エンジン: Raptor

Raptorエンジン

Starship, Superheavy共に共通のエンジン:Raptor:ラプターを使用していますが、1段目には大気圏内に最適化された、Raptor Sea level (SL, ラプターシーレベル)、2段目には真空用に特化したRaptor Vacuum (vac,ラプターバキューム)が使用されています。いずれも液体酸素とメタンを燃焼させるMethaloxエンジンで、再利用型エンジンとの相性が良いため近年のトレンドです。

諸元Raptor SLRaptor vac
Isp (SL)330s→?使用不可
Isp (真空)360s→?380s
推定推力185→230t240t+
SL使用とvac仕様の主要スペック
左:SL、右:vac:同じエンジンですが、ノズルが違います。

Raptorは優れた推重比と燃費を実現するために実用例としては世界初のフルフロー二段燃焼サイクルを採用しています。技術的な難易度を除くと、フルフロー二段燃焼サイクルは推進剤の損失がなく、タービンへの負荷も優しく、再使用との相性も良い最良の方式になります。

先進的なエンジンサイクルを採用しているにも関わらずRaptorの製造コストは1基200万ドル (約2億円) 以下、量産段階では30万ドル以下を目指していると言われています。これはより小型のLE-7Aエンジンはもちろん、2回り小型で比較的安価と言われるRL-10やLE-5すらも下回る圧倒的な低価格です。既に改良版のRaptor2の開発が進められており、一段と性能、コストの改善が期待されています。

Raptor 1の推力は185t、これに対してRaptor2では230tを達成しており、次号機から機体にも搭載予定と発表されています。なお記事執筆中は正確な推力も不明のままだったため、一律200tとして扱っています。

開発に更新が追いついていなくてすみません!多分今後もどんどんアップデートされていくと思うので、一年後に読み返して、昔はSuperheavyこんな仕様だったなぁって懐かしく思ってもらえれば幸甚です汗

Superheavyのパワー

Superheavyがどれほど強力なロケットなのか、200tや380sという単位ではなかなかイメージしづらいと思うから、馬力に換算してみましょう。

推力の単位はNのため、馬力の単位kWとは異なりますが、無理やり単位換算をすることはできます。有効排気速度3400m/s、2100kN、29基とすると3300*2000*29/10^3 = 191400MW、1.36hp=1kWから得られるパワーは2.6億馬力です。

これは日本中の発電所の合計発電能力を上回ります。比較対象として色々と探してみると、エヴァンゲリオンに登場した陽電子砲がありました。劇中では全国の電力を充填して40秒おきに射撃を行っていたので消費電力は180000MW程度と推察されています。

Superheavyのパワーは約”2億6千万馬力”
”消費エネルギーはエヴァの陽電子砲より上”

サターンVでも1億馬力を超えていて、原発を含む日本中の発電所の合計出力に匹敵します。これが燃焼の力、化学の力です。
同時に宇宙空間に到達するためには大量のエネルギーが必要だということがよく分かるかと思います。
またどうでもいい豆知識を広めてしまいましたね、、、

なおここで挙げたスペックはSpaceXの公式発表もころころと変わる上、肝心のエンジンの性能も噂程度であるため、幅があります。第二回、第三回ではそれぞれロケットシステム、エンジンシステムのリバースエンジニアリングより、実際の機体とエンジンのポテンシャルを推定して行きたいと思うので、楽しみにしていてくださいね。

実は性能はそこそこ!?

圧倒的なスペックのStarshipですが、見方によっては性能は”平凡”とも言えてしまいます。ロケットの機体の性能を示す指標は主に2つあります。

  • ΔV [km/s]:増速能力。ペイロードをどこまで加速できるかを示す指標で大きいほど優秀です。例えば同じ10tの重量でも、10km/sと20km/sの増速能力の違いは全くの別格の性能です。
  • ペイロードレシオ [kg/kg]:機体の全備重量のうちペイロードが占める重量の割合で大きいほど優秀です。ロケットはほとんど燃料なので、燃料1kgあたりに打上できるペイロードの重量とほぼ同じ意味合いになります。

Starshipは火星へ向かう前に軌道上で給油するため、LEO (Low Earth Orbit、地球低軌道)までの同一条件で見てみましょう。ΔVをなるべく近づけてはいますが、射場によって前後してしまうため、ペイロードレシオはあくまで目安です。

機体打上全備重量LEOペイロード重量ペイロードレシオ
Ariane 5 ES (欧)770t20t2.57%
H2A2 (日)445t15t3.37%
Proton (露)693t23.7t3.42%
Falcon 9 (米)549t22.8t4.15%
Atlas V (米)590t18.8t3.19%
GSLV (印)414t5t1.21%
LM-2F (中)464t8.4t1.81%
LM-5 (中)854t25t2.93%
LM-7A (中)573t13.5t2.35%
Starship (米)4600t (公称)100~150t (公称)2.1~3.3%

種子島は不利な立地条件のため、それも加味するとH2Aはかなり高性能と言えます。LM-2やGSLVは燃費に劣る常温系推進剤を用いているため、液体酸素を使う機体との直接比較はできませんが、ペイロードレシオでは少し見劣りするスペックとなっています。

一般的に機体が大型化するほうがペイロードレシオは有利になります。これは無線やコンピュータ等打上に欠かせない機器は機体が大型化してもほとんど大きさが変わらないためです。

このように見ると、Starshipは史上最強のロケットではあるものの、ペイロードレシオという点では”平凡”と言えます。見栄よりも実利、あくまでコスト優先なのです。

重量あたりのペイロードで見ると、平凡な性能だけれども、Starshipは着陸、再利用ができる、という機能面の優位性や、そして“機体サイズは最大なのに、この中のどのロケットよりも打上価格が安い” という圧倒的な価格アドバンテージがあるわ。単位がUSD$/kgだとしたら圧勝でしょう。

意外かもしれませんが、SpaceXの機体の打上コストが安いのは、再利用ができるからではなく、そもそもの製造原価が低いからです。次の章ではStarshipの最も革新的な特徴”コストダウン”について説明していきたいと思います。

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  1. ex.laevateinn より:

    GREAAAAT WORK!!

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