人類の宇宙開発計画に新たな章を加える、アルテミス1号 | Artemis I Flight Test Opens New Chapter In Human Space Program

50年の中断を経て、深宇宙有人探査を再開するアメリカ主導の構想は、地球の磁気圏を越えた4人の宇宙飛行士を21日間守るように設計された、NASAのサターン5型級の新型ロケットとオリオン宇宙船の飛行テストという、重要な局面まで到達した。

8月29日にケネディ宇宙センターから打ち上げ予定だったアルテミス1号には、ダミー人形と科学機材（多くは放射線計測機器）だけが搭載されている。この超重量級ロケット「SLS」と深宇宙探索船「オリオン」が期待通りの性能を発揮すれば、約2年後には宇宙飛行士を乗せたアルテミス2号が月軌道の周回飛行を行う予定だ。

続くアルテミス3号では、1972年12月のアポロ計画最終ミッション以来初めてとなる、アメリカ人宇宙飛行士による月面着陸が期待されており、これらのミッションの頻度および難易度は加速度的に増していく。なお、このアルテミス計画は、旧ソ連との宇宙開発競争から生まれたアポロ計画とは異なり、人類を火星に送るために必要な専門知識と経験を積むための、科学主導のオープンエンドなプログラムとして設計されている。また、アメリカが単独で取り組んでいるわけではないことも、アポロ計画との違いだ。

オリオン宇宙船のサービスモジュールを開発している欧州宇宙機関（ESA）は、計画初期からの重要なパートナーだ。ESA事務局長のJosef Aschbacher氏は、「私自身を含め、多くの関係者がアポロ月面着陸に刺激を受けて、宇宙やその他の技術分野に引き込まれた」と語る。

さらに同氏は、「アポロ計画により、アメリカは経済的・技術的に大きく成長し、世界をリードする国家となった。その効果は今でも続いており、宇宙が国家の進歩と世界の中での位置付けにとって、いかに重要であるかを示している」と付け加えた。

ESAがアルテミス1号に参画していることは、アメリカ主導の宇宙探査戦略を維持・拡大するための長期戦略のひとつに過ぎず、国家間のパートナーシップだけでなく、民間企業との財務的・技術的なつながりを構築することも重要な目的になっている。そんな民間パートナーの筆頭に挙げられるのが、宇宙飛行士を月周回軌道から月面に着陸させるための輸送システム「Starship-Super Heavy」の開発を担当するSpaceX社だ。同社は2024年にStarshipの有人着陸システム（HLS）の無人実証試験を計画している。NASAはアポロ計画後初となる月面着陸を2025年後半に実現するという楽観的な目標を立てているが、NASA監察官事務局（OIG）は2021年11月に実施した監査で、アルテミス3号の月面着陸は目標から2〜3年遅れになる可能性が高いと推定している。

OIGが問題視しているのは、複雑なStarshipのHLSアーキテクチャだけではない。この計画全体では、宇宙空間における燃料貯蔵所の設置、それを満たすための複数のStarshipの打ち上げ、そして宇宙空間で燃料を移送する技術などが必要となる。また、着陸船自体の高さが非常に高いため、SpaceX社は宇宙飛行士をキャビンから月面に移動させるためのエレベーターを搭載する計画だ。

また、月面を歩く宇宙飛行士が着用する新型宇宙服の開発にも懸念点がある。NASAは、HLS業務を行うSpaceX社（および今後決定される2社目の企業）との契約と同様に、船外探索活動業務（xEVAS）において宇宙服を供給する民間企業とのパートナーシップ契約を結ぶことを検討している。

NASAは6月、アルテミス計画や将来の国際宇宙ステーション（ISS）での船外活動で使用する宇宙服の開発・運用・訓練を行う、35億ドルの官民パートナーシップ対象企業として、Axiom Space社およびCollins Aerospace社を選定した。この宇宙服は、深宇宙から地球低軌道までの幅広い領域で、様々な作業を行う宇宙飛行士に適合することを目指している。
このHLSとxEVASの開発に加え、アルテミス計画には現在までに以下の開発計画も含まれている：

•    SLS Block 1Bとして知られる、改良型ロケット。アルテミス計画の最初の3回のミッションで使用予定の1基の極低温推進ステージ（Interim Cryogenic Propulsion Stage：iCPS）を、4基のAerojet Rocketdyne社製RL10エンジンを搭載した探査用第2ステージ（Exploration Upper Stage：EUS）に置き換えたもの。EUSを使用することで、月までのペイロードが現在の59,000ポンド（26.76トン）から83,000ポンド（37.65トン）に拡大する。

•    SLS Block 1Bロケットおよびオリオン宇宙船の組立・調整・発射に使用される、移動式発射台ML-2。2019年にBechtel社がNASAから3億8300万ドルでML-2の設計・製造・試験・稼動を行う契約を受注。しかし、2022年6月のOIG監査では、このプロジェクトには2.5倍のコストがかかり、使用可能になるのは当初予定から2年半遅れの2025年10月になると判断されている。

•    月軌道プラットフォームゲートウェイにおける、電力および推進モジュール（Power and Propulsion Element：PPE）、居住および物資補給モジュール（Habitation and Logistics Outpost：HALO）、そして深宇宙補給システム。これらは月周回軌道上を飛行する拠点で最初に必要になる要素で、月面への飛行ミッション、火星への飛行に向けた各種技術の試験、様々な科学実験を行う場となる。

このゲートウェイはISSの約6分の1の大きさで、15年の設計寿命の大半は無人で遠隔操作されるが、オリオン宇宙船がドッキングしている際は4人の乗組員を30日間居住させることができる。この計画には、ESA、JAXA、カナダ宇宙庁が海外パートナーとして参画している。

ゲートウェイは、およそ7日間の周期で月の表面から1,500〜70,000km上空を回る、安定した楕円軌道「Near Rectilinear Halo Orbit（NRHO）」上に配置される予定だ。

PPEコアモジュールは、Maxar社が製造した高出力60kWの太陽光電気推進宇宙船で、ゲートウェイに電力・高速通信・姿勢制御・軌道変換の機能を提供する。ここに、管制システムや他の宇宙船（オリオン・月着陸船・貨物/補給船）用のドッキングポートを内包した居住エリアであるHALOが接続される。HALOの主契約者はノースロップ・グラマン社だ。

2021年、SpaceX社はPPEとHALO一式をFalcon Heavyロケットで月周回軌道に打ち上げる契約をNASAと交わした。この打ち上げは2024年11月以降になる見込みだ。また同社は、ゲートウェイに最初の貨物を送り届ける契約も結んでいる。NASAでは1回の有人飛行ごとに、1回の補給ミッションが必要になると予想している。

NASAはPPEおよびHALOをアルテミス4号を支援できる時期に打ち上げる計画で、4号のオリオン宇宙船でゲートウェイに到着する宇宙飛行士が、計画中の国際居住モジュールとHALOの統合作業を支援する。このモジュールは、ゲートウェイに滞在するクルーにさらなる居住空間を提供するものだ。

アルテミス1号による無人飛行試験が上手くいけば、2024年中頃にはアルテミス2号の打ち上げが可能になる。2号では、月を周回した後に地球の重力を使って帰還できる、自由帰還軌道にオリオン宇宙船を投入する予定だ。

2号の打ち上げは、コアステージの分離までは1号と同様のものになる。SLS上段の2回の燃焼によりオリオン宇宙船の地球周回軌道を調整、地球上空約380kmから11万kmの範囲で楕円軌道となり、ここで地球周回軌道を離脱するのに充分な速度まで加速する。上段はその後分離して近距離運用実証の目標物となり、アルテミス3号で実際に行われる月軌道上のランデブー・ドッキング・ドッキング解除に先立ち、オリオン宇宙船の運動性能を検証するために用いられる。

オリオン宇宙船のサービスモジュールは、月の裏側を4日かけて周回する半月軌道のための燃焼を行う。ミッション全体では約10日間かかるとみられている。

続くアルテミス2号では、1号には未搭載の環境制御および生命維持装置をカプセルに搭載。リスクを最小化するため、オリオン宇宙船はすぐに月軌道には向かわず、地球軌道に2日間残り、生命維持装置などの確認を実施する。

これら2回のミッションと比較して、アルテミス3号の飛行計画は非常に複雑で、HLSに燃料を供給するための複数のSpaceX Starshipによる燃料輸送フライトと、燃料貯蔵施設の設置が必要になる。

OIGでは、NASAは2012〜2025年にかけて、アルテミス計画に930億ドルを費やすと見積もっている。一方、このプログラムはこれまで10年以上にも渡りホワイトハウスと議会の双方において対立を起こさずに済んでいる。

「かつては、宇宙開発プログラムは単一の政党が主導していた」と語るのは、前NASA長官のJim Bridenstine氏だ。
たとえば、2005年から2009年にかけての月探査計画「コンステレーション計画」は共和党が主導したプログラムだった。

「民主党の支持は得られなかった」と同氏は話す。

同様に、2013年に当時のオバマ大統領が提案した小惑星リダイレクトミッションは共和党から非難を浴び、最終的には両党からの支持を失った。「一方の政党だけが推進していると、何か状況が変わった時に、もう片方が中止させる機会が生まれる。我々はアルテミス計画を構築するとき、できるだけ民主党の議員にも働きかけ、可能な限り超党派の支持を得られるよう、懸命に努力したのです」と語った。

NASAは超党派の政治的支援を構築すると同時に、失敗したコンステレーション計画にはなかった国際的な協力関係も取り入れた。「すべての国がコストを分担し、利益を得ることで、より持続可能なプログラムになる。これこそが、アルテミス計画の構築に至った考え方だ」と Bridenstine氏は振り返る。

After a 50-year hiatus, a U.S.-led initiative to resume deep-space human exploration faced a critical flight test of NASA’s new Saturn V-class rocket and its Orion capsule, which is designed to support four astronauts for 21 days beyond the protective shield of Earth’s magnetosphere.

Only mannequins and science experiments, many of which monitor radiation levels, are aboard for the Artemis I flight test, which was scheduled to launch on Aug. 29 from the Kennedy Space Center. If the superheavy-lift Space Launch System (SLS) rocket and Orion deep-space capsule perform as expected, Artemis II will follow in about two years with astronauts aboard for a second shakedown cruise in lunar orbit.

The pace and complexity of these missions accelerates with Artemis III, which is expected to mark the return of U.S. astronauts to the lunar surface for the first time since the final Apollo Moon mission in December 1972. Unlike Apollo, which stemmed from a technological showdown with the former Soviet Union, Artemis is designed as an open-ended, science-driven program to build the expertise and experience needed to send humans to Mars. Also unlike Apollo, the U.S. is not undertaking the Artemis program alone.

As the supplier of the Orion service module, the European Space Agency (ESA) is an early, critical partner. “Many of us—myself included—have been inspired and drawn to space or other technology domains thanks to the Apollo Moon landings,” ESA Director General Josef Aschbacher says.

The program was “an enormous boost for the U.S.—economically, technologically and to establish the country as a leading nation globally,” Aschbacher adds. “This impact is still felt today, which shows how important space is for the evolution and the positioning of a country.”

ESA’s involvement with Artemis I is just one leg of a multifaceted, long-term strategy to sustain and expand a U.S.-led space exploration strategy—one that builds not only on partnerships with nations but also on financial and technical alliances with private companies. At the top of the list of commercial partners is SpaceX, which is developing a variant of its Starship-Super Heavy transportation system to ferry astronauts from lunar orbit to the surface of the Moon. SpaceX plans an uncrewed demonstration of its Starship Human Landing System (HLS) in 2024. NASA optimistically is targeting the first post-Apollo landing on the Moon in late 2025. The agency’s Office of Inspector General (OIG), in a November 2021 audit, estimated that the Artemis III lunar landing more likely would be 2-3 years beyond that.

It is not just the complicated Starship HLS architecture that gives the OIG pause. The system requires an in-space fuel depot, multiple Starship launches to fill it and the technology to transfer propellants in space. The lander itself is so tall that SpaceX plans to include an elevator to ferry astronauts from the crew cabin to the lunar surface.

The development of new spacesuits for astronauts to wear while walking on the Moon is another concern. Similar to its agreement with SpaceX (and a to-be-determined second provider) for HLS services, NASA is turning to partnership agreements with private companies to supply spacesuits under Exploration Extravehicular Activity Services (xEVAS) contracts.

In June, the space agency selected  Axiom Space and Collins Aerospace as part of a potential $3.5 billion public-private partnership to develop, operate and provide training for extravehicular activity spacesuits for Artemis moonwalkers, as well as for future spacewalks outside the International Space Station (ISS). The suits are intended to accommodate a broader range of individuals to support the assignment of a more diverse group of astronauts to deep-space and low-Earth-orbit missions.

In addition to the HLS and xEVAS efforts, the Artemis program currently includes:

• An upgraded SLS, known as Block 1B, that replaces the single-engine Interim Cryogenic Propulsion Stage upper stage planned for the first three Artemis missions with the Exploration Upper Stage (EUS), powered by four Aerojet Rocketdyne RL10 engines. With the EUS, an SLS could send more than 83,000 lb. toward the Moon, compared with the current lift capacity of 59,000 lb.
• The Mobile Launcher 2 (ML-2), which will be used to assemble, process and launch the SLS Block 1B rocket and Orion spacecraft. NASA awarded Bechtel a $383 million contract in 2019 to design, build, test and commission the ML-2, but the OIG in June 2022 determined that the project will cost 2.5 times more and will not be available until October 2025—2.5 years later than planned.
• The Gateway Power and Propulsion Element (PPE), Gateway Habitation and Logistics Outpost (HALO) and Gateway deep-space logistics—the starting elements for an outpost in lunar orbit that will be used to stage sorties to the surface of the Moon, test technologies needed for human travel to Mars and host science experiments.

The Gateway, which will be about one-sixth the size of the ISS, will be unoccupied and remotely operated during much of its planned 15-year design life but capable of supporting four-member crews for 30 days with an Orion spacecraft attached. International partners on the program include ESA, the Japan Aerospace Exploration Agency and the Canadian Space Agency.

The outpost is to be located in what is known as a near-rectilinear halo orbit, a highly stable, seven-day orbit ranging from 1,000 mi. to 42,415 mi. from the lunar surface.

The PPE core module, built by Maxar, is a high-power, 60-kW solar-electric-propulsion spacecraft that will provide power, high-rate communications, attitude control and orbital transfer capabilities for the Gateway.  It will be launched connected to the HALO, a pressurized living quarters that includes command-and-control systems and docking ports for visiting spacecraft, including Orion, lunar landers and cargo resupply ships. Northrop Grumman is the prime contractor for the HALO.

In 2021, NASA contracted with SpaceX to launch the combined PPE-HALO into lunar orbit aboard a Falcon Heavy rocket. Launch is planned for no earlier than November 2024. SpaceX also was awarded the first NASA contracts to deliver cargo and other supplies to the Gateway. The agency anticipates one logistics mission will be needed for each crewed increment.

NASA plans to launch the PPE and HALO in time to support the Artemis IV mission, during which astronauts—arriving to the Gateway aboard an Orion capsule—will help integrate the planned International Habitation Module with the HALO. The module will provide additional living space for crews aboard the Gateway.

Depending on the outcome of the Artemis I uncrewed flight test, Artemis II could follow in mid-2024. Four astronauts would launch on what is known as a hybrid free-return trajectory, which uses Earth’s gravity to pull Orion back after flying by the Moon.

The launch will be similar to Artemis I’s through core stage separation. Two burns of the SLS upper stage are planned to adjust Orion’s orbit around Earth, with the spacecraft ending up in an ellipse ranging from 235 mi. to 68,000 mi. above the planet and moving fast enough to leave Earth orbit. The upper stage then separates and becomes a target for a proximity operations demonstration that will assess Orion’s handling qualities in advance of rendezvous, docking and undocking maneuvers in lunar orbit needed for Artemis III.

The Orion service module will conduct the translunar injection burn to send the spacecraft on a four-day trip around the backside of the Moon. The mission is expected to last about 10 days.

For Artemis II, the Orion spacecraft will be equipped with an environmental control and life support system on the capsule, which is not flying on Artemis I. To mitigate the risk, Orion will remain in Earth orbit for two days prior to continuing on to the Moon so the life support system and other equipment can be checked out.

Compared with the first two missions, the Artemis III flight profile is much more complicated, as it requires several SpaceX Starship tanker flights and a fuel depot to provide propellant for the HLS. Artemis III also will require a separate SLS-Orion launch to send the crew to the HLS in lunar orbit.

In total, the OIG estimates NASA will spend $93 billion on the Artemis effort in fiscal 2012-25, a program that so far has bridged political divides both in the White House and in Congress for more than a decade.

“In the past, the programs were largely driven by one political party or another,” says former NASA Administrator Jim Bridenstine.

For example, the 2005-09 Constellation lunar exploration initiative was a Republican-led program. “It never really had buy-in from the Democrats,” Bridenstine says.

Similarly, the Asteroid Redirect Mission, proposed by the administration of then-President Barack Obama in 2013, was panned by Republicans before ultimately proving to be unpopular among both parties. “When only one party is driving the effort, it creates an opportunity for the other party—when things change—to cancel the effort,” Bridenstine says. “We worked really hard to make sure that when we built the Artemis program . . . we were reaching out to Democrats as much as possible. We worked really hard to try to make this as bipartisan as possible.”

Along with building bipartisan political support, NASA added international collaborations, which were not a part of the failed Constellation program. “It makes it more of a sustainable program when all these countries are sharing the costs and gaining the benefits,” Bridenstine says. “That model is how we thought about building the Artemis program.”