SpaceX and NASA could take a tentative step toward orbital refueling on the next test flight of Starship, but the US space agency says officials haven't made a final decision on when to begin demonstrating cryogenic propellant transfer capabilities that are necessary to return astronauts to the Moon.

スペースXは、少なくとも来年の予備的な推進剤移送試験に向けて順調に進んでいる模様だ。スペースXとNASAは、スターシップの次の試験飛行で軌道上燃料補給に向けて暫定的な一歩を踏み出す可能性があるが、米国宇宙機関は当局が時期について最終決定を下していないとしている。宇宙飛行士を月に帰還させるために必要な極低温推進剤輸送能力の実証を開始する。

NASA is keen on demonstrating orbital refueling technology, an advancement that could lead to propellant depots in space to feed rockets heading to distant destinations beyond Earth orbit. In 2020, NASA announced agreements with four companies—Lockheed Martin, United Launch Alliance, SpaceX, and a Florida-based startup named Eta Space—to prove capabilities in the area of refueling and propellant depots using cryogenic propellants.

NASAは、軌道上での燃料補給技術の実証に熱心に取り組んでおり、この技術の進歩により、地球の軌道を超えて遠い目的地に向かうロケットに燃料を補給するための宇宙空間の推進剤貯蔵庫の実現につながる可能性がある。 2020年、NASAは、極低温推進剤を使用した燃料補給および推進剤貯蔵所の分野での能力を証明するために、ロッキード・マーティン、ユナイテッド・ローンチ・アライアンス、スペースX、フロリダに拠点を置く新興企業イータ・スペースの4社との契約を発表した。

These cryogenic fluids—liquid hydrogen, methane, and liquid oxygen—must be kept at temperatures of several hundred degrees below zero, or they turn into a gas and boil off. Russian supply freighters regularly refuel the International Space Station with hydrazine and nitrogen tetroxide, room-temperature rocket propellants that can be stored for years in orbit, but rockets using more efficient super-cold propellants have typically needed to complete their missions within hours.

これらの極低温流体 (液体水素、メタン、液体酸素) は、零下数百度の温度に保つ必要があり、そうでないと気体になって沸騰してしまいます。ロシアの貨物輸送機は定期的にヒドラジンと四酸化窒素、軌道上で何年も保存できる室温のロケット推進剤を国際宇宙ステーションに補給しているが、より効率的な超低温推進剤を使用するロケットは通常、数時間以内にミッションを完了する必要がある。

NASA and industry engineers want to extend this lifetime to days, weeks, or months, but this requires new technologies to maintain the propellants at cryogenic temperature and, in some cases like Starship, to transfer the propellants from one vehicle to another.

NASAと業界の技術者は、この寿命を数日、数週間、または数か月に延長したいと考えていますが、これには推進剤を極低温に維持し、スターシップのように場合によっては推進剤をある車両から別の車両に移すための新しい技術が必要です。

NASA and several companies are funding efforts in this area, called cryogenic fluid management. NASA's agreements from 2020 committed more than $250 million in government funding for cryogenic fluid management tests in space. These funding agreements announced in October 2020, called "Tipping Point" awards, require substantial private funding from the companies participating in the demonstrations.

NASA といくつかの企業は、極低温流体管理と呼ばれるこの分野の取り組みに資金を提供しています。 2020年からのNASAの協定では、宇宙での極低温流体管理試験に2億5000万ドル以上の政府資金提供が約束されている。 2020年10月に発表されたこれらの資金提供協定は「ティッピング・ポイント」賞と呼ばれ、デモンストレーションに参加する企業から多額の民間資金を必要とする。

According to John Dankanich, who leads NASA's efforts in developing new capabilities for in-space transportation, there are "major technical obstacles" for cryogenic fluid management. The real challenge, he said, will be in validating things like automated couplers, flow meters, and advanced insulation all work together in microgravity. These, along with other technologies, are "highly interdependent" on one another to make cryogenic refueling a reality, he said.

NASA の宇宙輸送のための新たな能力開発の取り組みを率いるジョン・ダンカニッチ氏によると、極低温流体の管理には「大きな技術的障害」があるという。同氏によると、本当の課題は、自動カプラー、流量計、高度な断熱材などが微小重力環境で連携して動作することを検証することだという。これらは他の技術とともに、極低温燃料補給を現実にするために互いに「高度に相互依存している」と同氏は述べた。

Individual technologies necessary for in-orbit cryogenic refueling are at a stage of development where they are "ready now to go into flight systems," Dankanich said, either with a demonstration in space or on an operational spacecraft.

ダンカニッチ氏は、軌道上での極低温燃料補給に必要な個々の技術は開発段階にあり、宇宙でのデモンストレーションや運用中の宇宙船上で「飛行システムに導入する準備が整っている」と述べた。

First, small steps

By the fourth anniversary of those awards, only SpaceX appears to have a chance to complete the tasks outlined in its "Tipping Point" award, valued at $53 million.

This test would involve transferring super-cold propellant from one tank to another inside a Starship spacecraft. It's a precursor to future, more complex demonstrations involving two giant Starships docked together in Earth orbit. Then SpaceX will be ready to send a Starship toward the Moon for a test landing without astronauts onboard. Once that is successful, NASA will clear Starship for a crew landing on the agency's Artemis III mission, marking the astronauts' return to the lunar surface for the first time since 1972.

まずは小さな一歩 これらの賞の4周年までに、総額5,300万ドル相当の「ティッピング・ポイント」賞で概説された課題を達成するチャンスがあるのはスペースX社だけのようだ。このテストには極低温の推進剤をあるタンクから別のタンクに移すことが含まれる。スターシップ宇宙船の内部。これは、地球周回軌道上でドッキングする 2 隻の巨大な宇宙船を含む、将来のより複雑なデモンストレーションの前兆です。その後、スペースXは宇宙飛行士を乗せずに月に向けて宇宙船を送り、テスト着陸を行う準備が整う。それが成功すれば、NASAはアルテミスIIIミッションに着陸する乗組員のためにスターシップを許可し、1972年以来初めて宇宙飛行士が月面に帰還することになる。

That's easier said than done; all worthy projects require a first step. That could happen as soon as the next full-scale test flight of SpaceX's gigantic Super Heavy booster and Starship rocket, a stainless steel launcher that stands nearly 400 feet (121 meters) tall. SpaceX has flown the rocket twice, most recently on November 18, when the Starship upper stage reached space for the first time before self-destructing just short of orbital velocity. This test flight was largely successful, achieving several key milestones such as stage separation and demonstrating improved reliability of the rocket's methane-fueled Raptor engines.

それは言うは易く行うは難しです。すべての価値あるプロジェクトには最初のステップが必要です。それは、スペースXの巨大なスーパーヘビーブースターと、高さ約400フィート（121メートル）のステンレス製発射装置であるスターシップロケットの次の本格的な試験飛行と同時に起こる可能性がある。 SpaceX はロケットを 2 回飛行させており、最近では 11 月 18 日にスターシップの上段が初めて宇宙に到達し、その後軌道速度の手前で自爆しました。この試験飛行はおおむね成功し、ステージ分離などのいくつかの重要なマイルストーンを達成し、ロケットのメタン燃料ラプターエンジンの信頼性の向上を実証しました。

SpaceX has a $2.9 billion contract with NASA to provide a commercial Human Landing System (HLS) derived from Starship for the Artemis III mission, the first human landing mission planned during NASA's Artemis program. The readiness of the Starship landing craft and new commercial spacesuits are widely seen as drivers of the schedule for Artemis III, which is at risk of a delay from late 2025.

SpaceXは、NASAのアルテミス計画中に計画された初の有人着陸ミッションであるアルテミスIIIミッションにスターシップから派生した商用有人着陸システム（HLS）を提供するという29億ドルの契約をNASAと結んでいる。スターシップ着陸船と新しい商用宇宙服の準備が整っていることがアルテミスIIIのスケジュールを動かす要因であると広く見られており、アルテミスIIIは2025年後半から遅れるリスクがある。

Lakiesha Hawkins, deputy associate administrator for NASA's Moon to Mars program office, discussed the Artemis schedule Monday with a committee from the National Academies charged with reviewing the agency's workforce, infrastructure, and technology programs.

NASAの月から火星へのプログラム事務局の副副管理者であるラキーシャ・ホーキンス氏は月曜日、NASAの人員、インフラ、技術プログラムの見直しを担当する国立アカデミーの委員会とアルテミスのスケジュールについて話し合った。

Hawkins did not verbally address SpaceX's plans for the next Starship test flight, but one of her slides noted SpaceX is "moving quickly" toward the third Super Heavy/Starship launch, and that this flight "will include a propellant transfer demonstration."

ホーキンス氏は、次回のスターシップ試験飛行に関するスペースXの計画について口頭で言及しなかったが、彼女のスライドの1つは、スペースXが3回目のスーパーヘビー/スターシップ打ち上げに向けて「急速に動いている」こと、そしてこの飛行には「推進剤移送デモンストレーションが含まれる」と述べた。

However, Jimi Russell, a NASA spokesperson, suggested to Ars this is still only a possibility. When it does happen, the tank-to-tank propellant transfer within Starship will demonstrate moving 10 metric tons of liquid oxygen, according to the 2020 Tipping Point award terms. SpaceX is collaborating with NASA's Glenn Research Center and Marshall Space Flight Center on the demonstration.

しかし、NASAの広報担当者であるジミ・ラッセル氏は、これはまだ可能性の一つにすぎないとアルス氏に示唆した。 2020年のティッピング・ポイント賞の条件によれば、それが実現すると、スターシップ内のタンクからタンクへの推進剤の移送により、10トンの液体酸素が移動することが実証される。 SpaceXは、NASAのグレン研究センターおよびマーシャル宇宙飛行センターとデモンストレーションに協力している。

"NASA and SpaceX are reviewing options for the demonstration to take place during an integrated flight test of Starship and the Super Heavy rocket," Russell said in a  statement. "However, no final decisions on timing have been made."

「NASA​​とSpaceXは、スターシップと超重量ロケットの統合飛行試験中にデモンストレーションを実施するためのオプションを検討している」とラッセル氏は声明で述べた。 「しかし、時期についてはまだ最終決定はされていない。」

Elon Musk, the company's founder and CEO, said on November 19 that hardware for the next Super Heavy/Starship test should be ready in three to four weeks. That projection seems dubious because SpaceX hasn't moved any pieces of the rocket to the launch pad for pre-flight testing, but a test flight early next year appears realistic.

同社の創設者兼最高経営責任者（CEO）のイーロン・マスク氏は11月19日、次回のスーパーヘビー/スターシップテスト用のハードウェアは3～4週間以内に準備が整うはずだと述べた。スペースX社は飛行前テストのためにロケットの一部を発射台に移動させていないため、この予測は疑わしいように思えるが、来年初めのテスト飛行は現実的であるようだ。

Other factors that could play into the Starship launch schedule include tune-ups or fixes to resolve problems that occurred on the November 18 test flight and receiving a new launch license from the Federal Aviation Administration.

スターシップの打ち上げスケジュールに影響を与える可能性のあるその他の要因としては、11月18日の試験飛行で発生した問題を解決するための調整や修正、連邦航空局からの新たな打ち上げライセンスの取得などが挙げられる。

When SpaceX tries transferring 10 metric tons of propellant from tank to tank inside Starship, it will be at a scale never before attempted in space. But it's a small fraction of the amount of fuel and oxidizer needed to fill a Starship spacecraft in orbit. The ship's total propellant capacity is some 1,200 metric tons. After the tank-to-tank demonstration, SpaceX will attempt a ship-to-ship propellant transfer between two Starships linked together in Earth orbit.

SpaceXがStarship内のタンクからタンクへ10トンの推進剤を移送しようとするとき、それは宇宙ではかつて試みられたことのない規模となる。しかし、それは軌道上のスターシップ宇宙船を満たすのに必要な燃料と酸化剤の量のほんの一部です。この船の推進剤の総容量は約 1,200 トンです。戦車間のデモンストレーションの後、スペースXは地球軌道上で連結された2隻の宇宙船の間で推進剤の船から船への輸送を試みる予定だ。

"That’s really when we start maturing the systems, and when it really gets exciting for HLS, because those are the building blocks that we need and, frankly, it’s never been done successfully in orbit," said Lisa Watson-Morgan, NASA's HLS program manager, in an interview with Ars last month.

NASAのHLSプログラムのリサ・ワトソン＝モーガン氏は、「それは私たちがシステムの成熟を開始するときであり、HLSにとって本当にエキサイティングなときだ。なぜなら、これらは私たちが必要とする構成要素であり、率直に言って軌道上で成功したことはないからである」と述べた。マネージャー、先月のArsとのインタビューでこう語った。

This discussion of propellant transfer leaves out critical work on Starship's life support system needed to accommodate crews on the lunar surface. SpaceX also needs to move forward with more Raptor engine testing, but the company recently completed a ground test to confirm it can reignite a Raptor engine in the extreme cold conditions resulting from extended time in space. SpaceX has also completed Raptor test-firings at different throttle settings to simulate how the engines must perform during a descent burn to reach the lunar surface.

推進剤の輸送に関するこの議論では、月面で乗組員を収容するために必要なスターシップの生命維持システムに関する重要な作業が省略されています。 SpaceXもラプターエンジンのさらなる試験を進める必要があるが、同社は最近、宇宙滞在時間が長くなった極寒の環境でもラプターエンジンを再点火できることを確認するための地上試験を完了した。 SpaceXはまた、月面に到達するための降下燃焼中にエンジンがどのように動作しなければならないかをシミュレートするために、さまざまなスロットル設定でのラプターのテスト発射も完了しました。

Others in the running

他も進行中

The other companies working with NASA on cryogenic fluid management are still at least a couple of years away from any meaningful flight demonstrations.

NASAと協力して極低温流体の管理に取り組んでいる他の企業が有意義な飛行デモンストレーションを行うまでには、少なくとも数年はかかる。

Lockheed Martin's demo, expected to use liquid hydrogen, is scheduled for 2025 and will test 15 key cryo fluid management technologies. Eta Space is developing a small-scale fuel depot to demonstrate long-duration cryogenic storage of liquid oxygen for nine months. This mission, known as LOXSAT, is scheduled to launch with Rocket Lab in 2025, according to Dankanich.

ロッキード・マーチン社のデモは液体水素を使用する予定で、2025年に予定されており、15の主要な極低温流体管理技術をテストする予定だ。 Eta Space は、9 か月間にわたる液体酸素の長期極低温貯蔵を実証するための小規模燃料貯蔵所を開発中です。ダンカニッチ氏によると、LOXSATとして知られるこのミッションは、ロケットラボとともに2025年に打ち上げられる予定だという。

Liquid hydrogen is the smallest molecule and needs to be stored at colder temperatures than methane or liquid oxygen. It is the most efficient rocket fuel in common use, but is prone to leaks.

液体水素は最小の分子であり、メタンや液体酸素よりも低温で保管する必要があります。これは一般的に使用されている最も効率的なロケット燃料ですが、漏れが発生しやすいです。

United Launch Alliance is working on a liquid hydrogen/liquid oxygen "smart propulsion cryogenic system" on a Vulcan Centaur upper stage, testing precise tank pressure control, tank-to-tank transfer, and multi-week propellant storage, according to NASA. Dankanich said Monday ULA's flight demonstration is scheduled for 2026.

NASAによると、ユナイテッド・ローンチ・アライアンスはバルカン・ケンタウルスの上段で液体水素/液体酸素の「スマート推進極低温システム」の開発に取り組んでおり、正確なタンク圧力制御、タンク間の移送、数週間にわたる推進剤の保管をテストしている。ダンカニッチ氏は月曜日、ULAの飛行デモンストレーションは2026年に予定されていると述べた。

Like Starship, Blue Origin's human-rated lunar lander for Artemis will rely on orbital refueling but with liquid hydrogen. Blue Origin's approach to cryogenic fluid management involves actively controlling the temperature of liquid hydrogen using cryocoolers, while SpaceX is using passive thermal control on Starship.

スターシップと同様に、ブルー・オリジンのアルテミス向け人間評価月着陸船は軌道上での燃料補給に依存するが、液体水素を使用する。 Blue Origin の極低温流体管理のアプローチには、極低温冷却器を使用した液体水素の温度のアクティブ制御が含まれますが、SpaceX は Starship でパッシブな熱制御を使用しています。

Dankanich said Blue Origin plans "multiple interim demonstrations" with its cryogenic systems before its lander is certified to carry astronauts to the Moon's surface, but he didn't offer a schedule for those flight tests leading up to Blue Origin's first human landing mission, slated for no sooner than 2029.

ダンカニッチ氏は、ブルー・オリジン社は、着陸船が宇宙飛行士を月面に運ぶことが認定される前に、極低温システムを使った「複数の暫定デモンストレーション」を計画していると述べたが、予定されているブルー・オリジン社の初の有人着陸ミッションに至るまでの飛行試験のスケジュールについては明らかにしなかった。早ければ2029年までに。

Aside from technical hurdles, Dankanich said there's another potential barrier to widespread advancements in cryogenic refueling and propellant depots. For most of the tech demos, NASA is partnering with companies on a cost-sharing basis, reducing the cost to taxpayers. NASA would like to use data from the demonstrations to provide "ground truth" for models to predict the behavior of cryogenic fluids in space. Because NASA is a government agency, these models would be available to a broad cross-section of researchers and engineers.

ダンカニッチ氏は、技術的なハードルとは別に、極低温燃料補給や推進剤貯蔵庫の広範な進歩には別の潜在的な障壁があると述べた。ほとんどの技術デモでは、NASA はコスト分担ベースで企業と提携し、納税者の​​コストを削減しています。 NASAは、実証で得たデータを利用して、宇宙における極低温流体の挙動を予測するためのモデルに「グラウンドトゥルース」を提供したいと考えている。 NASA は政府機関であるため、これらのモデルは幅広い研究者や技術者が利用できることになります。

Under the terms of these public-private partnerships, industry retains ownership, and these companies may consider details about their technology proprietary, limiting NASA's ability to share lessons learned with academic institutions or other outside groups.

これらの官民パートナーシップの条件の下では、産業界が所有権を保持し、これらの企業は自社の技術の詳細を専有物とみなす可能性があり、学んだ教訓を学術機関やその他の外部グループと共有する NASA の能​​力が制限される可能性があります。

“In some cases, we can't force them to even instrument the systems in the way that we need them instrumented in order to get the data that we would need to validate," Dankanich said. "If they're willing to provide the telemetry that we need, then we may, on the NASA side, be able to get some of that information. But we can't disclose the design details or the specifics to the community, which is necessary for model validation.

「場合によっては、私たちが検証する必要があるデータを取得するために、私たちが必要とする方法でシステムを計測することさえ、彼らに強制することはできません」とダンカニッチ氏は語った。私たちが必要とするテレメトリーがあれば、NASA 側でその情報の一部を入手できるかもしれません。ただし、モデルの検証に必要な設計の詳細や詳細をコミュニティに公開することはできません。

"Data right restrictions are a big challenge with the way that we're procuring all of our cryogenic fluid management systems," Dankanich said. "At the same time, the outlook is pretty good, right? We do have the SpaceX large-scale cryo settling propellant transfer planned for next year."

「データ権利の制限は、当社のすべての極低温流体管理システムの調達方法にとって大きな課題です」とダンカニッチ氏は述べた。 「同時に、見通しはかなり良いですよね？来年にはSpaceXの大規模極低温沈降推進剤移送が計画されています。」