Orbital Refueling宇宙で燃料を補給する

ロケットは、軌道に乗るまでのあいだに、積んできた推進剤（燃料と、それを燃やすための酸素）のほとんどを使い切ってしまいます。理由は「ロケットはなぜ『ほぼ燃料』なのか」の記事と軌道の記事で見たとおりで、軌道に乗るには、とてつもない横向きの速さが必要だからです。たとえるなら、高速道路の入口の坂道で思いきり加速して本線に合流したら、その時点でガソリンタンクがほとんど空になっていた車のようなものです。本線には乗れましたが、目的地まではとても走れません。

月へ向かうには、軌道に乗ったあと、さらにもう一度大きく加速する必要があります。そこで考えられたのが、軌道の上で推進剤を補給し直すという方法です。飛行機どうしが空中でホースをつないで燃料を受け渡す「空中給油」に近い考え方で、英語では orbital refueling（軌道上での推進剤補給）や propellant transfer（推進剤移送）と呼ばれます。

NASA 監察総監室（OIG）の2026年3月の報告書によると、SpaceX は月へ向かうために、Starship を3つの役割に分けて使う計画です。宇宙飛行士を月面に降ろす「着陸船」、地球の低い軌道へ推進剤を運ぶ「タンカー（給油船）」、そして運ばれてきた推進剤をためておく「貯蔵デポ（燃料基地）」です。どれも見た目の元になっているのは同じ Starship です。

手順は次のとおりです。まず貯蔵デポを地球の低い軌道へ打ち上げます。報告書によると、そのあと10機を超えるタンカーが推進剤を積んで次々と打ち上げられ、1機ずつデポに近づいてドッキングし、推進剤を移していきます。NASA はこれを propellant aggregation（推進剤の集積）と呼んでいます。デポが十分に満たされたら、着陸船が打ち上げられてデポとドッキングし、満タンにしてから月を回る軌道へ向かいます。上の図は、この流れを左から右へ描いたものです。下から次々に上がるタンカーが軌道上のデポに推進剤を集め、満タンのデポから着陸船が受け取って月へ向かいます。

この計画の数字を見ると、規模の大きさが分かります。同じ報告書によると、推進剤の集積は宇宙飛行士の打ち上げより200日以上前に始まり、SpaceX は6日に1回のペースでタンカーを打ち上げることを目標にしています。タンカーはテキサスの Starbase と、フロリダの NASA ケネディ宇宙センターの両方から打ち上げる計画です。満タンになった着陸船は、月を回る軌道で最大100日間、宇宙飛行士の到着を待てるとされています。ただし、必要なタンカーの数を SpaceX は正式に公表していません。報道によれば、SpaceX の担当者は2024年1月に「おおまかな推測」として「10回程度」と話しており、見積もりにはまだ幅があります。

難しさの1つ目は、推進剤がとても冷たい液体であることです。Starship は液体メタンと液体酸素を使います。NASA の技術資料によると、メタンが沸騰する温度は111.7K、つまりおよそマイナス162度です。冷凍庫から出した氷が少しずつ溶けるように、宇宙でもタンクにはまわりから熱が入り込み、液体はゆっくりと気体に変わっていきます。NASA は、こうして上がったタンクの圧力を逃がすために気体を捨てることを「ボイルオフ（boil-off）」と説明しています。長く待つほど、せっかく運んだ推進剤が減っていくのです。

2つ目は、軌道の上には「下」がないことです。軌道の記事で見たように、軌道にある宇宙船は中身ごと落ち続けているので、タンクの中の液体は底にたまらず、ふわふわと広がってしまいます。ペットボトルを傾けても、ジュースがコップに落ちてこない状態を想像してください。NASA の研究者の論文によると、こうなると液体を送るはずの配管に気体を吸い込んだり、気体を逃がすはずの管から液体が出てしまったりするおそれがあります。そこで、エンジンや小さな噴射で宇宙船をそっと押し続け、液体をタンクの片側に寄せてから移す方法が考えられています。これを「セトリング（settling）」と呼びます。

では、どこまで実際に試されているのでしょうか。2024年3月14日の Starship 飛行3では、1機の宇宙船の中で、推進剤を別のタンクへ移す実証が行われました。NASA の資料によると、宇宙船を押して液体を寄せる操作をしたうえで、液体酸素をタンクからタンクへ数トン移したもので、NASA の技術開発プログラム（Tipping Point）の一環です。NASA は当時「移送の実証作業は完了した」と発表し、担当者は「軌道上でこの規模の極低温推進剤を貯めて移すことは、これまで試みられたことがない」と述べています。ただし NASA 自身が「船どうしではない」と明記しているとおり、これは同じ機体の中での移送でした。

本番に必要なのは、2機の Starship を軌道でドッキングさせ、船から船へ推進剤を移すことです。OIG の報告書では、この大規模な船どうしの移送試験は2025年3月に予定されていたものが2026年3月へ12か月遅れたとされ、新しい第3世代の Starship を使うことになっていました。その後、Starship が初めて軌道に到達したのは2026年9月28日の飛行14です。編集部が確認した範囲では、2026年10月2日時点で、2機のあいだでの推進剤移送が行われたという公式の発表は見当たりません。SpaceX は2026年9月15日の発表で、飛行14から軌道飛行に移り、最初の軌道上での推進剤移送などの新しい飛行試験を行っていくとしています。また V3 の機体には、ほかの Starship とドッキングするための装置と、船どうしで推進剤を移すための接続口が加えられたと説明しています。

Starship で月に降りる計画は、この補給が成功することを前提に組まれています。NASA は2024年11月の記事で、SpaceX は地球を回る軌道で推進剤の積み込みを終え、満タンの着陸船を月へ送り出す計画だと説明しています。OIG によると、NASA の着陸船プログラムは極低温の推進剤の移送を「最も重大な技術的課題の1つ」と位置づけ、関連技術が間に合わないことを最上位のリスクの1つとして監視しています。

アルテミス計画のスケジュールにも関わります。NASA は2026年2月27日、アルテミス3号を2027年に地球の低い軌道で行う試験飛行に変え、月面着陸は2028年のアルテミス4号で目指すと発表しました。アルテミス3号では、宇宙船オリオンが着陸船の試験機とドッキングする練習などを行う計画です。報道によれば、この試験飛行には軌道上での補給は必要ありません。編集部の見方では、月面着陸の前に船どうしの補給をどこまで確かめられるかが、これからの最大の注目点の1つです。

補給は、打ち上げの回数をこなせるかどうかの試験でもあります。6日に1回というペースでタンカーを打ち上げるには、機体を何度も再使用し、発射台もすぐに使える状態に戻す必要があります。OIG は、SpaceX が必要とされる12〜24日での発射台の再整備をまだ実証していないと指摘しています。

この技術は月だけのものではありません。NASA の極低温流体管理プロジェクトは、月から火星へと向かうにつれて、冷たい推進剤を宇宙で扱う期間が「数か月から数年」に延びると説明し、宇宙で使える推進剤の貯蔵・移送技術は、検討されているすべての計画に必要だとしています。

飛行機の空中給油と比べると、軌道上の補給には大きな違いがあります。空中では重力があるので、燃料はホースの中を下へ流れてくれます。軌道上では、2機とも軌道の記事で見たものすごい速さで飛びながらぴったり並び、そのうえ「下」がない中で液体を寄せて送らなければなりません。さらに、運ぶ液体はとても冷たく、待っているあいだにも少しずつ気体になっていきます。

「推進剤移送」という同じ言葉でも、段階があります。飛行3で行われたのは、1機の中でのタンクからタンクへの移送です。次の段階は2機の船どうしでの移送で、本番の計画では、さらに10機を超えるタンカーからデポへ推進剤を集め、それを着陸船へ移すことになります。ニュースで「推進剤移送に成功」と見かけたら、どの段階の話なのかを確かめると理解しやすくなります。

軌道上での補給を計画しているのは SpaceX だけではありません。OIG によると、アルテミス計画のもう1つの着陸船である Blue Origin の Blue Moon も、軌道上で推進剤をためる機体と、そこへ推進剤を運ぶ機体を使う計画で、極低温の推進剤の扱いが最も大きな技術課題の1つとされています。