史上最大のロケットの打ち上げが迫っている。スペースX社が開発中の超大型ロケット「スーパーヘビー」が大型宇宙船「スターシップ」を搭載し、8月中にも打ち上げられそうだ。
これまでに運用されたロケットの中でもっとも巨大なものは、アポロ宇宙船を月面に送り届けたサターンVロケットだが、その全高は110.6m、総質量3,040トン。これに対し、宇宙船「スターシップ」（50m）とロケット「スーパーヘビー」（70m）を合わせた全高は120mで、これは牛久大仏（茨城県）と同じサイズ。そして総質量4,400トンの機体が生み出す推力は、サターンVの約2倍を誇る。
今回は、この過去最大の打ち上げシステムの概要と、特殊な運用方法に関してご紹介したい。
「巨大宇宙船」を打ち上げる「史上最大ロケット」
スペースXが開発中の大型宇宙船スターシップは、その打ち上げテストの様子が広く報道されているのでご存じの方も多いだろう。巨大なイカのような形状をしたスターシップは史上最大の宇宙船であり、ヒトであれば100名、または100トンの積載物を搭載できる。この宇宙船は単独で宇宙へ赴くわけではなく、その下部には史上最大となるロケット、スーパーヘビーが接続され、その推力よって地球周回軌道まで持ち上げられる。
宇宙船スターシップの打ち上げテストは、主に昨年8月から主に計5回行われてきた。テスト機には新型エンジン「ラプター」が3基搭載され（正式運用機は6基を予定）、直近では高高度（最大高度12.5km）まで上昇後、全エンジンを停止して自由落下させ、地上に達する直前にエンジンを再点火し、地上に垂直に自律着陸させる。4機目までは着陸に失敗して爆発、または着陸後に地上で爆発したが、5回目のテスト（SN15号機）では着陸にも成功し、ほぼすべての行程が実証された。
今回行われるスーパーヘビーの初テスト打ち上げでは、上部にこのスターシップ（SN20）を搭載し、短時間ではあるがそれを地球周回軌道に投入する。本来であれば切り離されたスターシップもスーパーヘビーも、それぞれ自律的に地上へ垂直着陸して再利用されるが、今回はともに海上へ着水する。テキサス州から東に向けて打ち上げられ、スーパーヘビーは8分15秒後にメキシコ湾へ、スターシップはキューバ、アフリカ、中国の上空を経て、90分20秒後にハワイの北西100kmのポイントに着水する予定だ。
過去に例がない、独特な打ち上げシステム
昨今、各国が運用する主要ロケットは、液体燃料ロケットを搭載した二段式ロケットだ。有人宇宙船「クルー・ドラゴン」などを打ち上げているスペースX社の「ファルコン9」（全高78.1m）や、欧州の「アリアン5」（59m）、日本の「H-IIA」（53m）などはすべてこの二段式だ。これらの再頂部にはペイロード、つまり軌道に乗せるべき宇宙船や探査機などが搭載される。また、アポロ計画で使用された大型ロケット「サターンV」は三段式だった。
しかし、スーパーヘビー自体は、これほど大型なロケットであるにも関わらず、単段式である。また、その上部に搭載されるスターシップは、最大定員100名の宇宙船でありながら、第二段ロケットの役割も果たす。より重いペイロードをより遠くへ運ぼうとするほどロケットは大型化し、それにともない段数も増える、というのが過去のロケット設計における一般的な考え方だが、スターシップとスーパーヘビーはそれとは一線を画すシステムであり、過去にない形態を持つ稀有な宇宙機といえる。
3名を月に送る vs 100名を火星に送る
スターシップとスーパーヘビーの特異性をよりご理解いただくために、ロケット打ち上げの基本原理を少々ご説明したい。
宇宙へヒトやモノを送り届けるとき、ロケットはふたつの課題を達成している。ひとつは、高度100km以上と規定されている宇宙までペイロードを上昇させること。これを「打ち上げフェーズ」という。もうひとつは、地面と水平の方向、つまり地球を周回する方向に秒速7.9km以上の初速度をペイロードに与えること。これを「加速フェーズ」という。
上昇すれば大気は薄くなり、燃料が減り、下段を切り離せばさらに軽くなるため、ロケットの速度は刻々と上がる。しかし、垂直上昇するだけでは地球周回軌道に乗れず、高度100km以上に達しても、地球の重量に引っ張られて落ちてしまう。これが弾道軌道であり、大陸間弾道ミサイルはこの軌道をたどる。
ロケットが必要な高度を獲得しつつ、水平方向の速度が秒速7.9km以上に達したとき、ペイロードは地球周回軌道に乗る。このとき、ペイロードはやはり地球の重力に引っ張られて落ち続けるが、地球は丸いので地面に届かず、その結果地球を周り続けるのだ。
このふたつの課題をクリアするため、垂直に打ち上げられたロケットは、すぐさま姿勢を傾斜させ、徐々に水平姿勢へと移行する。それを目で追い続けたとき、ロケットは天空に消えるのではなく、弧を描きながら地平線へと消えていく。