スターシップの打ち上げは失敗したが、宇宙飛行の次の時代が到来する

最近、人類の宇宙飛行の歴史全体において驚くべき出来事が起こりました。宇宙船を搭載した試験ロケットが最初の打ち上げ中に故障したのです。エンジン始動直後、いくつかのエンジンが点火に失敗したが、それでも飛行機は空中に上昇した。数分間飛行した後、ついに制御不能に陥り、海に墜落した。しかし、ロケットがうまく点火できなかったり、発射姿勢が不安定になったりするたびに、現場のスタッフから歓声が上がり、ロケットが制御を失って海に墜落するまで歓声が続いた。中には拍手したり、祝ってシャンパンを開けたりする人もいました。

航空宇宙の分野では、打ち上げの成功は常に祝われます。ロケットの打ち上げが失敗するのを見たことはありません。その代わりに、スタッフはグラスを掲げて喜びを祝いました。ロケットを製造した企業、スペースXの社長イーロン・マスク氏でさえ、ロケット打ち上げ失敗後に祝福の言葉を述べた。このような結果は衝撃的で混乱を招きます。しかし、「スターシップ」と呼ばれるこのロケットが航空宇宙分野全体にとってどれほど重要な意味を持つか知っていれば、おそらくこの打ち上げの失敗を称賛するだろう。これは人類の宇宙史上、最大の積載量を誇るロケットと宇宙船の組み合わせによる初の打ち上げとなる。この実験が最終的に成功すれば、人類の宇宙旅行のコストは現在の1,000分の1から1/200にまで削減され、人類は完全に安価な宇宙旅行の段階に入ることになるかもしれない。

発射台に置かれたスターシップ

これまでで最大のペイロードを持つロケットであり、輸送コストが低いことから、今回の打ち上げ試験は大きな注目を集めている。そのため、研究者たちは、ロケットが正常に点火し、発射台を爆発させない限りは成功である、といったいくつかの「小さな目標」を設定した。スムーズに離陸し、飛行を続けることができれば、大成功となるでしょう。第一段ロケットがスムーズに分離し、宇宙船の点火に成功すれば、超成功となるでしょう。もし宇宙船が軌道にうまく入れば、それは前例のない成功となるだろう。

打ち上げが失敗したにもかかわらず、スタッフが祝うためにシャンパンを開けた理由は理解に難くない。

空を飛ぶ夢はもう高価なものではない

現代人にとって、宇宙に飛ぶことは大きな夢でも小さな夢でもありません。それは小さいことではありません。なぜなら、100キロメートル上空に飛んでカルマン線を越えれば宇宙にいることになりますし、100キロメートルは長い距離ではなく、高速道路を使えば1時間以上で目的地に到着できるからです。小さいわけではない。陸上で100キロメートル走行するのは非常に簡単で、10リットルのガソリンを消費せず、2時間もかからないが、重力をなくして垂直に100キロメートル上昇するのは非常に難しい。

通りすがりの人を無作為に100人選んで、費用を気にしないのであれば宇宙旅行に行きたいかと尋ねたら、おそらく90%以上の人が「はい」と答えるでしょう。こんなに多くの人が宇宙に行きたがっているのに、なぜ宇宙観光産業は発展しないのでしょうか?まず、ロケット打ち上げの成功率は高いものの、ひとたび危険が発生すると、ロケットの破壊や人の死につながることになります。第二に、高価です。ロケットに乗って宇宙に行きたい場合、チケット代は2000万～4000万ドル、つまり1億4000万～2億8000万人民元かかります。

スペースXのスターシップのテストが成功すれば、最終的には人や貨物を宇宙に運ぶことが可能になり、従来のロケットでは1キログラムの貨物を宇宙に運ぶのに2万ドルかかるのに対し、1キログラムあたりの輸送コストは100ドルにまで削減できる。この計算によれば、宇宙服を除いて体重が70キログラムの人の場合、その人を宇宙に送るのにかかる費用はわずか7,000米ドル（約5万人民元）となる。生命維持システムと体系的な訓練を追加すれば、宇宙旅行にかかる費用は50万人民元以下になるかもしれない。将来、宇宙船の打ち上げに成功し、商業化されると、宇宙旅行のコストは現在の 1/1,000 から 1/200 程度になるでしょう。

これは依然として宇宙に人を輸送することであり、生命維持システム、食料、水が必要であり、宇宙船内の温度も厳密に管理されなければなりません。一部の貨物のみを輸送する場合は、輸送コストを削減できます。

宇宙飛行の次世代の先駆者、スターシップ

人類が空を飛ぶことを夢見るようになったのは、おそらくアフリカに住んでいた私たちの祖先である原始人類にまで遡る必要があるかもしれません。数百万年前、原始の人類が一日の採集や狩猟を終えて眠りにつく頃、ふと見上げて星空を見て、その場所に強い興味を抱いたのかもしれません。だから、空や宇宙への憧れは、私たちの遺伝子の中に古くから刻み込まれているのかもしれません。

人類は宇宙へ飛ぶ方法を模索してきました。 19 世紀末になって初めて、ツィオルコフスキーという名のロシア人が宇宙旅行とロケット推進に関するさまざまな理論を提唱しました。 9歳の時に病気で聴力を失ったこの科学者は、最終的に設計を実現できなかったが、彼の理論は正しかった。液体酸素と液体水素を燃料とする多段式ロケットは宇宙に到達できるのだ。

ツィオルコフスキー

ロケット科学者ロバート・ゴダードが最初の液体ロケットを製造して以来、液体ロケットはほぼ100年間ロケット打ち上げの主力であり続け、その構造さえもほとんど大きく変わっていません。さらに、ロケットは誕生以来、大きな矛盾に直面してきました。ロケットは大量の燃料を搭載する必要があり、燃料の燃焼によって発生する推力によって最終的にロケットが宇宙へと押し出されることになります。輸送する貨物が増えるほどロケットは重くなり、必要な燃料も増えます。この矛盾により、ロケットが運ぶペイロードが多すぎるということは考えにくいが、宇宙ステーション、月面基地、火星基地を建設する場合、輸送する必要がある機械や設備の量は膨大になり、食料や水の需要はさらに大きくなるだろう。ロケットがより大きく重い貨物を輸送できるようにする方法と、輸送コストを削減する方法が、ロケット打ち上げの主な課題です。

ゴダードと彼の液体ロケット

Starship の 2 つの重要な利点は、ほぼすべてこの主な命題に基づいています。 1つは特別に設計されたエンジンであり、もう1つはロケットの繰り返しリサイクルです。

ロケットエンジンの進歩

宇宙船は主に2つの部分に分かれています。下部のロケットブースター部分は「スーパーヘビー」と呼ばれ、中国語では「超重量」と翻訳されています。貨物や宇宙船を運ぶことができる上部は「スターシップ」と呼ばれ、中国語では「星船」と呼ばれます。覚えやすいように、Super Heavy と Starship を組み合わせて、総称して「Starship」と呼ぶ人もいます。

宇宙船の2つの部分からなる構造

ロケットに点火すると、第1段ロケットまたはブースターに搭載されたエンジンによって燃料が燃焼し、大量の炎とガスが噴射され、作用反作用の原理を利用して離陸します。したがって、エンジンが信頼できるかどうかがロケットの打ち上げにおいて最も重要な要素となります。材料科学と工学の進歩により、スターシップのエンジンは何度も再設計と改良が行われ、現在のエンジン性能はこれまでのすべてのロケットエンジンを上回っています。

スターシップには、超重量セクションに 33 基の Raptor II エンジンが搭載され、スターシップ セクションに 6 基が搭載され、合計 39 基のエンジンが搭載されています。各エンジンの推力は約230トンです。宇宙船部分のエンジンを除いて、超重量部分だけで推力は7,590トンです。この推力は十分強いでしょうか？たとえば、スターシップが建造される前、これまでに建造された最も強力なロケットは、アポロ月面着陸計画で使用されたサターン V ロケットで、推力は 3,400 トンでした。単純な計算で、スターシップの推力はサターン V の 2 倍以上であることがわかります。

スターシップの超重量セクションには33基のエンジンが搭載されている

これほど大きな推力があれば、より重い貨物や宇宙船を宇宙に送り出すことができるのです。帰還を考慮しなければ、この宇宙船は一度に約300トンの宇宙船や貨物を宇宙に送り出すことができる。サターンVの積載量は140トンだが、現在最も強力なSLS BLOCK1Bロケットでも宇宙に送れる貨物や宇宙船は95トンしかない。

300トンの重さの宇宙船や貨物を持つということはどういう意味ですか?雄のアフリカゾウの体重は約6トンで、宇宙船は一度に50頭のゾウを宇宙に送り出すことができる。こんな恐ろしい突きってすごいと思いませんか？

アロー材料と燃料の進歩

身長に関して言えば、星怡は先代の選手たちよりも少し背が高い。しかし、矢の本体の材料製造コストで言えば、スターシップはかなり安価です。

私たちは皆、304 ライナー付きの魔法瓶カップを使用したり見たりしたことがあるはずです。このようなカップは丈夫で耐久性があり、安価です。このような材料をロケット本体の製造に使用すれば、コストは非常に低くなります。 304ステンレス鋼のコストは1キログラムあたりわずか3ドルですが、現代の主ロケットの製造に使用される炭素繊維複合材料はそれほど安くはありません。炭素繊維複合材料1キログラムのコストは100ドルで、これは304ステンレス鋼の30倍以上です。また、304 ステンレス鋼は製造がはるかに簡単です。

ロケット本体の材質の改良に加え、宇宙船の燃料の選択も特別です。液体酸素とメタンを選択します。

現在、ロケット燃料には、固体燃料、四酸化窒素/ヒドラジン（アミン）、液体酸素と灯油、液体酸素と液体窒素の 4 つの主な種類があります。その中でも、固体燃料エンジンは製造が最も簡単です。推力は大きくないが、固体燃料は貯蔵が比較的容易であるため、ロケットの「兄弟」であるミサイルの燃料としてよく使用される。四酸化窒素/ヒドラジン（アミン）は発火しやすく、接触すると発火し、室温で保存できます。しかし、この燃料は毒性が強く、非常に高価なため、その使用はますます減少しています。液体酸素灯油は現在最も費用対効果の高い燃料ですが、灯油は燃焼すると炭素堆積物やコークス化が起こりやすく、エンジンのリサイクルに支障をきたすため、極めて高い品質要件が求められます。液体酸素燃料と液体水素燃料も今日のロケットの主な燃料です。液体酸素と液体水素を燃焼させると、環境に非常に優しい水が生成されます。しかし、欠点としては、このようなエンジンは開発が非常に難しく、液体水素は多くのスペースを占め、液体酸素との温度差が大きく、断熱も必要なため、燃料の保管も非常に難しいという点があります。

宇宙船が使用する燃料は液体酸素とメタンです。一方、液体酸素とメタンは、液体酸素と灯油のように燃焼しても炭素堆積物を生成しないため、エンジンの洗浄とメンテナンスが容易で、繰り返しリサイクルできます。一方、液体酸素とメタンの貯蔵温度/沸点は非常に近いため、貯蔵の難しさは液体酸素や液体水素よりもはるかに低い。液体水素のロケットへの貯蔵は極めて困難な問題である。

同時に、液体酸素メタンエンジンの構造難易度は比較的低く、その構造は液体酸素灯油エンジンと類似しており、ほぼ同じ関連構造を使用することができます。さらに、LOXメタンはすべてのロケット燃料の中で最も安価です。

ロケット回復画面

火星を探検したいなら、火星に到着したら地球に戻らなければなりません。火星で液体水素を生産するコストは非常に高いが、メタンを燃料として使用するのは比較的簡単だ。火星の二酸化炭素は水と結合してメタンを形成する可能性があります。さらに、太陽系の主要な惑星、特に木星、土星、天王星、海王星では、液体水素よりもメタンを見つける方がはるかに簡単です。

再利用によりコストを大幅に削減できる

人類の夢の一つは、宇宙に大量の人力と機械を送り込んで宇宙ステーションを建設し、火星に送って基地を建設し、最終的には火星に移住することです。これにはより大きなペイロードを持つロケットの建造が必要となり、非常に高いコストがかかります。たとえば、現在の高さ110メートルのSLSロケットは、1回の製造と打ち上げに22億ドルかかります。

スターシップ火星基地のコンセプトアート

実際、宇宙船の高さは120メートルです。論理的に考えると、コストはそれほど安くはないはずですが、そのシェルとエンジンは 50 回再利用できるため、各打ち上げに分散するとコストが大幅に安くなります。したがって、スターシップが安価である重要な理由の 1 つは、再利用が可能であるという点です。これは、さまざまな国のほとんどのロケットではできないことです。

宇宙船は大量生産できるようになり、工場ではラプターエンジンを 1 日 1 基生産することさえ可能になりました。設計の進歩により、ラプター エンジンのコストはわずか 200 万ドルで、1 キロニュートンの推力を生み出すのにかかるコストはわずか 1,000 ドルです。一方、スペース シャトルや SLS ロケットで使用されている RS-25 エンジンは、1 キロニュートンの推力を生み出すのに 25,000 ドルかかり、その 25 倍のコストがかかります。現在、より進化したラプター II エンジンは、合理化された設計で、質量が 400 kg 削減され、価格が 100 万ドルまで下がっています。推力は230トンに達し、1キロニュートンあたりのコストはわずか8ドルで、50回再利用できます。

まとめると、宇宙船の主な利点は、高い推力、製造の容易さ、そして最も重要なのは低コストです。したがって、たとえ発射台が爆破されなかったとしても、あるいはほんの数分飛行した後に爆発したとしても、これは国家による宇宙旅行の第一歩なので、人々は大いに興奮するだろう。ほんの小さな一歩だが、人類の宇宙旅行にとっては大きな一歩となるかもしれない。

スターシップの将来のキャリアプラン

安価なロケットにより、科学者は宇宙ベースの太陽エネルギーなど、これまでは想像はできたものの実現不可能だった科学的な設計を実現できる。

宇宙太陽エネルギー

地上では、太陽光発電は曇りや雨の影響を大きく受けますが、宇宙太陽光発電は違います。衛星軌道上では天候の影響を一切受けません。さらに、空中送電技術の発達により、大量の電気を地表に送り返すことが可能となり、地球上のどの発電装置よりも環境に優しいものとなっています。これまで科学者を悩ませてきたのは、これほど多くの太陽電池パネルと遠隔測定施設を打ち上げるには多数のロケットが必要となり、そのコストが成果よりもはるかに高くなるということだった。しかし、宇宙船があれば、そのような夢はもう遠いものではなくなります。

同時に、月面基地や火星基地を建設したり、火星を改造するための多数の装置を打ち上げたりするアイデアは、もはや手の届かないものではありません。

そのため、スターシップがエンジンやリサイクル技術に力を入れているだけでなく、中国の航空宇宙産業も追い上げており、リサイクル可能なロケット技術で一定の成果を上げている。近い将来、中国独自の安価なロケットが打ち上げられ、宇宙旅行の次の時代が到来すると信じています。