月着陸船：世界で最も裕福な二人が月面で競い合う

2023年5月19日、NASAは主力の有人探査プロジェクト「アルテミス」の2番目の有人月着陸船の請負業者としてブルーオリジンを選定したと発表した。ブルーオリジンは、かつて世界一の富豪だったジェフ・ベゾスによって2000年に設立された民間の航空宇宙会社です。

NASAの発表によれば、これは34億ドルの固定額契約であり、ブルーオリジンはこれに基づいて完全に再利用可能な月着陸船の開発を主導し、マイルストーンに基づいて段階的に支払いを行うことになる。この月着陸船は、アルテミス5号ミッションにおける初の有人月面着陸に使用されます。計画スケジュールによれば、ミッションは2028年に実行され、SLS（スペース・ローンチ・システム）ロケットがオリオン宇宙船と4人の宇宙飛行士を月周回軌道に送り込む予定だ。オリオンが月周回プラットフォーム・ゲートウェイにドッキングすると、2人の宇宙飛行士はブルーオリジンの月着陸船に乗り換え、その後別れて月の南極地域へ向かい、約1週間の科学調査と探査活動を行う予定だ。 「アルテミス5号」は、有人月面着陸の常態化段階のミッションとなり、短期の月面居住から月面基地段階への移行期にもなります。しかし、現在の進捗状況から判断すると、実際のミッションは2029年頃に延期される可能性が高く、さらなる延期の可能性も否定できない。

「ブルーオリジン」の月着陸船の新バージョンのレンダリング

月着陸船契約「壮大で復讐心に満ちた」

周知のとおり、SpaceX の「スターシップ」は NASA が現在推奨している月着陸船であり、NASA の最初の 2 つの有人月面ミッションであるアルテミス 3 号と 4 号のミッションに使用される予定です。アポロ計画では月着陸船は 1 つしかなかったことを考えると、ブルーオリジンの 2 番目の月着陸船の契約はどこから来たのでしょうか?

この物語は2年前の2021年4月、NASAがアルテミス計画の有人月着陸船の唯一の請負業者としてSpaceXが選ばれたと発表したときに始まります。スペースXの設計は、同社が開発中の完全に再利用可能なロケット「スターシップ」をベースに、月面着陸専用の改良型「月着陸船」を作るというものだ。今回の入札では、ブルーオリジンはロッキード・マーティン、ノースロップ・グラマン・イノベーションズ・スペース、ドレイパーと協力し、オールスターの「ナショナルチーム」を結成して月着陸船「ナショナルチーム」を結成した。このチームは有名企業のオールスターメンバーで構成されており、当初は入札を勝ち取る唯一の選択肢でした。さらに、Dyn が率いる 25 社の下請け業者からなる「中小企業チーム」もありました。しかし、最終的には最も過激な提案をしたSpaceXが選ばれ、業界に騒動が巻き起こった。

ブルーオリジンの統合着陸船の最初のバージョンのレンダリング。

スペースXの予想外の入札勝利は、各関係者がそれぞれ異なる反応を示し、大きな騒動を引き起こしたと言える。米議会の関係議員や一部団体が遺憾の意を表明したほか、ブルーオリジンを筆頭とする落札できなかった2社も不満を表明し、直接上訴した。 4月26日、落札に失敗した2社は、NASAが入札プロセス中に2つの提案のさまざまな側面を不適切に評価し、見積りと入札を適応的に修正する機会を与えなかったと主張する175ページに及ぶ苦情を米国政府監査院（GAO）に公的に提出した。 4月30日、NASAはGAOが最終決定を下すまで契約を一時停止せざるを得なくなった。

3ヵ月後、GAOは3ヵ月に及ぶ控訴調査の結論を公式に発表した。GAOは両社の抗議は無効であると考え、控訴調査の詳細の一部を公表し、入札評価の不正の証拠は見つからず、入札評価記録は完全かつ十分であり、SpaceXの月着陸船提案には軌道上での燃料補給が多すぎるという技術的リスクがあったものの、入札評価プロセスは準拠しており合法であったと述べた。スペースXを唯一の落札者として選ぶのは不合理だという申立人の主張に対し、GAOは、入札プロセスでは落札企業の数に制限はなく、NASAは複数の落札者を選ぶことも、唯一の落札者を選ぶ権利もあると回答した。実際、NASAが近年、2つの落札企業を選んで互いにバックアップするという計画を継続しなかったのは、米国議会が2021年初頭に有人月着陸船の予算を32億ドルからわずか8億5000万ドルに削減したためだ。NASAは2つの企業の研究開発に同時に資金を提供することはできないため、「全力を尽くして」SpaceXを選ばざるを得なかった。

この訴えが失敗した後も、「ブルーオリジン」は諦めなかった。一方で、同社はさまざまな宣伝写真を制作し始め、ソーシャルメディア上でスペース・エクスプロレーション・テクノロジー社の月着陸船の無理な設計を公然と批判し、軌道上での燃料補給回数が多すぎることや技術的リスクが高いことを訴えた。一方、彼は米国議会でのコネを利用して、NASAに圧力をかけ、月着陸船の開発に関する2度目の契約を結ばせた。このため、ベゾス氏は契約と引き換えに研究開発費を補助するために自腹で20億ドルを支払う用意があるとさえ公に述べた。新任のネルソン長官は就任後すぐに、2番目に落札した企業に資金を提供すると公言したが、この「願い」が叶うのは2年後であり、この時点で「スターシップ」はすでに最初の軌道試験飛行を行っていたが、失敗に終わっていた。数十億ドル規模の契約の場合、上記の操作は理解するのが難しくありません。しかし、不可解なのは、その年の8月にブルーオリジンが突然、連邦裁判所でNASAを「当事者A」として訴え、その訴訟の中で、入札には欠陥があり、それを解決しなければならないと主張したことだ。

アポロ月着陸船とコンステレーション、スターシップ、ブルーオリジンの月着陸船の比較

両社が法廷に立つ中、NASAとブルーオリジンの関係は「緊張」していると言える。 NASAは裁判所への声明で、ブルーオリジン社を選んだことで米国が2025年に月に戻るという目標を期限内に達成できなくなる可能性があると述べ、入札提案は「勝つ見込みが全くない」とさえ認めた。しかし実際には、最も急速に進んでいるスターシップ月面着陸船計画でさえ、2025年に月面着陸するという困難な任務を現在完了できていない。結局、訴訟は取り下げられ、法廷外で和解したが、NASAがブルーオリジンを拒否したのは、入札額が高すぎただけでなく、技術的解決策が不合理であることを懸念したためであることは容易に想像できる。 2年後、「ブルーオリジン」の新計画は当然ながらそのままでは開始できない。 NASA の注目を集めるには、いくつかの改良を加える必要があります。

元の設計には欠陥があり、多くの欠点があります。

第2回目の入札では、スペースXはNASAから独占条項を課され、今回の入札に参加することはできなかった。また、ボーイングは早い段階で不正行為を疑われていたため、実際の入札には前回の入札で敗退した2チームのみが参加した。前回の入札では、NASA は詳細な入札評価レポートを公開し、価格、技術、管理の 3 つの側面から提案の長所と短所を評価しました。この入札については、同様の入札評価レポートは公開されていません。しかし、「ブルーオリジン」計画の旧バージョンと新バージョンを比較すると、多くの抜本的な改善点を見つけるのは難しくありません。

テスト中のニュー・グレンの直径7メートルのフェアリングは、将来のブルーオリジン月着陸船に組み込まれる予定です。

前回の入札で、国家チームの月着陸船は「統合着陸機」（ILV）と名付けられ、移送段階、降下段階、上昇段階の3つの部分で構成されています。 3つの部品はそれぞれ「ニュー・グレン」と「バルカン」ロケットで打ち上げられ、月周回軌道または月周回プラットフォーム・ゲートウェイで組み立てられる。 SLSで丸ごと打ち上げることも可能だが、コストが高くサイクルが長いため、この計画は断念された。降下段は、ブルーオリジンが2019年5月に発表したコード名BE-7の水素酸素エンジンをベースにしている。このエンジンは推力40キロニュートンで、推力を調整できる独自の「二重膨張燃焼サイクル」を採用しており、逆推力着陸に適している。アップグレードされた電力システムと乗員室は両方ともロッキード・マーティン社によって開発され、オリオン宇宙船とシステムを可能な限り共有するように設計されています。移送ステージはノースロップ・グラマン社によって開発され、同社のシグナス貨物宇宙船の設計も全面的に参考にされている。ドレイパー氏は航空電子工学システムの研究開発を担当しています。一般的に、統合着陸船は最初の入札では次のような欠点がありました。

まず第一に、この提案の価格は高額です。約60億ドルという金額は、SpaceXのStarship提案のほぼ2倍だ。業界では、この見積にはすべてのコストと利益が含まれていると考えられており、これは従来のプロジェクト見積方法です。入札者は、将来的に自己資金を調達したり、商業的または拡張されたタスクを通じてコストを回収したりすることを考慮していません。

第二に、月着陸船は完全な再利用ではなく部分的な再利用の方式を採用しています。 3つの部分のうち、アポロ月着陸船と同様に、移送段が最初に廃棄され、着陸後に降下段が月面に残される。最終的には、アップグレードされた車両のみがポータルにドッキングし、燃料を補給して再利用することができ、再利用率は 30% 強になります。さらに、月着陸船の3つの部分は別々に打ち上げられ、3つの異なる推進システムを使用する必要があり、軌道上で組み立てられる必要もあります。いずれかの打ち上げに失敗した場合、月着陸船の組み立てを時間内に完了することは不可能となる。

最後に、サブシステムの研究開発の進捗は著しく遅れており、主要サブシステムの軌道上検証の時期が遅すぎ、商用化と拡張性が欠如しています。さらに、乗組員モジュールは高すぎるため、宇宙飛行士が月面に降りるのに不便です。月着陸船は明らかにスターシップよりも低いが、「スターシップ」には簡易エレベーターが装備されている一方、「統合着陸船」は最初の入札時にもアポロ式の外部搭乗はしごを使用している。宇宙飛行士は重い宇宙服を着て、月着陸船に戻るために数メートル登る必要があります。

2019年5月、記者会見で月着陸船「ブルームーン」が打ち上げられた。 BE-7エンジンは一番下にありました。

自腹を切って電力を簡素化し、完全に再利用し、大胆に変化を求める

それで、ブルーオリジンはNASAの支持を取り戻すために、どのようにして新バージョンの月着陸船で自らを転覆させたのでしょうか?

最初のステップは、完全に再利用可能なモードに変更することです。月着陸船全体では、液体水素と液体酸素の混合推進剤が使用されています。月着陸船は高さ16メートル、乾燥重量はわずか16トンだが、燃料を充填すると総重量は45トンにもなる。さらに、月着陸船全体をニューグレンロケットの直径7メートルのフェアリングに詰め込むことができます。軌道上での組み立ては必要ありません。このロケットは、推進剤なしで月着陸船全体を直接月周回軌道に送ることができます。

過剰見積り問題を受けて、ブルーオリジンは自腹で支払い、契約額を従来の56.7％に減額した。商業開発計画によれば、開発された宇宙船の所有権は請負業者が持つことになる。請負業者は、NASAが定めたミッションを完了した後、開発した宇宙船を使用して商業宇宙旅行（月旅行）などのミッションを実行し、利益を得たり、資金を回収したりすることができます。実際、このモデルに従ってSpaceXが開発したCrew Dragon宇宙船は典型的な例です。国際宇宙ステーションの周回ミッションに加えて、クルードラゴン宇宙船は3つの商業宇宙旅行ミッションを実行しました。

月着陸船の乗組員室は下部に移動され、宇宙飛行士の上昇高度が大幅に低下しました。このキャビンは、4人の宇宙飛行士が最大30日間月面に滞在できるスペースを提供します。通信用に使用される高利得アンテナは月着陸船の上部に移動されました。月着陸船上部の大型タンクは、最も密度の低い液体水素を貯蔵するために使用されました。サイドパネルはラジエーターであり、日よけとしても機能し、推進剤の蒸発を抑制すると言われています。下の小さいタンクは液体酸素を貯蔵するために使用され、ドッキング ポートは下部乗員室の左右に配置されています。

推進システムの複雑さに対応して、月着陸船の動力システムは簡素化され、BE-7 エンジンのみを使用するようになりました。同時に、ブルーオリジンはエンジンの研究開発とテストで一定の進歩を遂げており、前回の入札時よりも技術が成熟し、信頼性が高まっていると主張した。同時に、ドレイパー（航空電子機器）やボーイング（ドッキングシステム）などの他の下請け企業も他のサブシステムの研究開発を開始した。

「ブルーオリジン」の月着陸船の最初のバージョンの実物大モデル。乗組員モジュールがより高い位置に配置されていることを示している。

さらに、極低温推進剤の最も重要な供給源は、ロッキード・マーティン社が開発する「シスルナトランスポーター」と呼ばれる宇宙船で、低地球軌道で燃料補給され、その後月まで移動して推進剤をブルーオリジンの月着陸船に移送する。その後、宇宙船は低軌道に戻り、次のミッションに備えて燃料の補給を続けることができます。着陸機と燃料輸送宇宙船全体は、スターシップと同様に完全に再利用できるように設計されています。計画によれば、ブルーオリジンは「アルテミス5号」ミッションの前に「マーク2」バージョンの月着陸船を使用して無人月面着陸実証ミッションを実施する予定である。

地球から月へ

商業用の月面着陸船は今後も成功し続けることができるでしょうか?

近年、NASAが推進する一連の商業宇宙研究開発プロジェクトは実りある成果を上げており、プロジェクトの進捗と資金は適切に管理されている。最初のものは、2008年に商業宇宙調達の始まりとして歓迎された商業貨物サービスプログラムでした。これにより、ドラゴンとシグナス貨物宇宙船、およびファルコン9とアンタレスの打ち上げロケットが誕生しました。その後、NASAは「商業有人宇宙計画」を提案し、クルー・ドラゴンとスターライナーという2機の有人宇宙船が誕生しました。しかし、さまざまな理由により、ボーイングの宇宙船はまだ最初の有人飛行を行っていません。しかし、「クルードラゴン」の通常飛行は、二重の保険戦略の賢明さを浮き彫りにした。

その後、低軌道での成功により、NASA はこのモデルを深宇宙へと進化させることになり、その後の月軌道プラットフォーム ゲートウェイ (LOP-G) プロジェクトでは、引き続き商用モデルを使用してコア モジュールを購入しました。最終的に、商業入札、固定調達、マイルストーン支払い、および他者による他の目的での使用を許可するというこのモデルは、月着陸船の入札にも引き継がれました。 NASAは、両方の月着陸船が予定通りに機能すれば、プロジェクトは大成功となるだろうと述べた。 NASA は、スターシップとブルーオリジンの月着陸船の総開発コストは 200 億ドルに上ると見積もっているが、NASA が両方の月着陸船を入手するために支払ったのはコストの約 3 分の 1 に過ぎない。

契約は勝ち取ったものの、ブルーオリジンの月着陸船は安穏としていられない。ご存知のとおり、液体水素推進剤は沸騰を防ぐために絶対零度に近い温度に保たれなければなりません。また、分子量が小さいため漏れやすく、厳しい密封要件が必要になります。さらに、水素脆化などの問題も引き起こす可能性があります。現段階では人類が「提供」するのが最も難しい推進剤と言っても過言ではありません。宇宙では直射日光が熱環境に大きな変化を引き起こすため、この傾向はさらに顕著になります。通常、液体水素を使用するロケットや上段ロケットは、1日以内にすべての打ち上げ作業を完了する必要がありますが、ブルーオリジンの月着陸船は、軌道上で液体水素と液体酸素を長期間保管する必要があります。同社は長年、液体水素を「貯蔵可能な」推進剤にすることに取り組んできたが、これは依然として極めて困難な技術であり、スターシップの軌道上メタン貯蔵よりもはるかに難しい。

それにもかかわらず、NASAは依然として、2つの月着陸船が米国航空宇宙産業の技術的蓄積をフルに活用してミッション要件を満たし、より堅牢性を提供すると公に信じている。 2つの月着陸船は相互にバックアップし、定期的な月面着陸をサポートし、将来の火星ミッションに備えることなく、地球と月の経済をさらに刺激することもできます。 （著者：ティエン・フェン）

この記事はもともとSpace Exploration誌2023年第7号に掲載されたものです。