失敗から飛躍まで、ロケッツはどのように生まれ変わったのか？

2020年8月29日、ユナイテッド・ローンチ・アライアンスのデルタ4重ロケットがNROL-44打ち上げミッションを遂行していた際、ロケットが点火し、「ステージ上で炎が燃えているが、ロケットは動かない」というスリリングなシーンが演出された。ロケットは本質的に、危険なほど高エネルギーの推進剤を大量に制御して「爆発」させるものである。この「爆発」が制御不能になると、それは本当に爆発となり、私たちはこれを打ち上げ失敗や異常と呼ぶことが多いのです。しかし、複数のシステムが結合された複雑な輸送手段であるため、現代の打ち上げロケットは一般的な問題や故障が発生しやすい傾向があります。さまざまな段階で異常や故障が発生した場合、ロケットはどのように異なるのでしょうか?

デルタ4Hロケットが点火した後、ロケットは動かないままになる

点火後にエンジンが突然停止した場合はどうすればよいですか?

2020年8月29日、デルタ4ヘビーロケットの第1段とブースターの3基のRS-68水素酸素エンジンが離陸の3秒前に突然故障した。通常、エンジンから排出される水素は上昇して発火するが、ロケットが発射装置から離れなかったため、水素の炎がすぐにロケットを取り囲んだ。ロケット制御システムが自動的に緊急停止し、打ち上げは中止を余儀なくされた。幸いなことに、ロケットフェアリング内のペイロードは正常でした。このペイロードは、「メンター」というコードネームの偵察衛星の最新モデルでした。この一連の衛星は、あの有名な「キーホール」と同じくらい有名で、その謎と高コストで知られています。衛星のコストは同じ重さの金よりも高価だと言われています。そのため、打ち上げチームは、このタイプのペイロードに対して常に非常に慎重になり、危険な状況に陥り、わずかなミスも犯さないようにしてきました。

偶然にも、2019年1月にヴァンデンバーグ発射センターから打ち上げられたのも、ユナ​​イテッド・ローンチ・アライアンスの同じロケットだった。同じ顧客向けの新しいキーホール衛星が打ち上げられたときにも、同じ「緊急停止」ドラマが繰り広げられた。幸いなことに、その時点では積荷は無事でした。数日後、故障の原因はセンサーにあることが判明しました。故障が解消された後、ロケットは正常に打ち上げられました。

実際、打ち上げ前の緊急停止の失敗は珍しいことではありません。これらは主に、エンジンの点火プロセス中に検出され、システムによって自動的にトリガーされる異常な信号によって発生します。例えば、2016年2月にファルコン9ロケットがSES-9衛星の4回目の打ち上げを試みたとき、エンジン点火システムが1つのエンジンの推力の異常な低下を検知し、ロケットは直ちに自動的に打ち上げを中止しました。拘束・解放装置のおかげで、ロケットはしっかりと「保持」され、発射台から離れることはなかった。しかし、ファルコン 9 ロケットは液体酸素ケロシン燃料ロケットであるため、水素酸素燃料ロケットのような「激しい燃焼」効果がありません。点火剤に点火し、停止する前に緑色の光を発するだけです。その後の調査で、過冷却した推進剤が長時間放置され、温度が上昇したことが故障の原因であることが判明した。タンク内の加圧ヘリウムが推進剤に混ざり、ターボポンプに吸い込まれ、異常な推力が発生した。

宇宙探査の歴史において、同様の状況は珍しくありませんが、ロケットが発射台を離れない限り、通常は状況を改善するチャンスがあります。

離陸後に自分自身を救うにはどうすればいいですか?

ロケットの打ち上げ後に問題が発生した場合はどうなりますか?ロケットは地上支援から切り離されているため、基本的には「自力救助」に頼るしかない。修復には一般的な方法が 2 つあります。

1つ目は、ロケット自体に電源冗長性が設計されていれば、エンジンが故障しても、ロケットは故障したエンジンを自動的に停止し、並列に稼働している他のエンジンが異常なエンジンの仕事を引き継ぐことができるということです。ロケット制御およびナビゲーションシステムの反復計画を通じて、残りのエンジンの稼働時間を適切に延長し、打ち上げを延ばすことができます。歴史的に、サターン V、スペース シャトル、ファルコン 9 はすべて、打ち上げを長持ちさせるために電力冗長性を使用してきたため、この設計は間接的にロケットの信頼性を向上させます。

2 番目の対策は、実際にはエンジンの稼働時間を延長することですが、故障したエンジンが「一生懸命働かなければならない」次の段階です。例えば、2016年3月、シグナスOA-6ミッションの打ち上げ中に、アトラスVロケットの第1段に搭載されていたロシア製RD-180エンジンが、打ち上げの5秒前に突然停止しました。その後、ロケット第2段のRL-10エンジンはタンク内に残っていた推進剤を使用して燃焼時間を最大1分延長し、最終的に宇宙船を軌道に乗せました。

無事に打ち上げられたシグナス宇宙船は国際宇宙ステーションに接近中

この時期尚早の停止は些細なことのように思えるかもしれないが、実は非常に危険である。なぜなら、RD-180 が 1 秒早く停止すると打ち上げは失敗し、ロケットの第 2 段が予備の推進剤をすべて使い果たしたとしても「回復不能」になるからである。電源冗長性のない打ち上げロケットの場合、飛行中に電源システムに障害が発生すると致命的となり、簡単に取り返しのつかない打ち上げ失敗につながる可能性があります。

したがって、一度キャリアロケットの打ち上げに失敗したら、その失敗から学んでやり直すのは当然のことです。例えば、9月2日に打ち上げを再開したばかりのベガロケットは、13か国の21社の顧客からの53機の衛星を一度に軌道に乗せた。同社は自らの「再生の旅」を無事に終えるとともに、1基のロケットで複数の衛星を打ち上げるという欧州記録も破った。

ベガロケットの打ち上げが再開

このロケットは2019年7月の打ち上げ時に事故を起こしており、それ以来沈黙している。事故調査の結果、ロケットの固体燃料の燃焼によって発生した高温の燃焼ガスが第2段構造物に衝突し、第2段炭素繊維構造物が燃え尽き、最終的に飛行中のロケットの分解につながったと結論付けられた。根本的な原因は、ロケットの製造時に二次熱防御層の厚さが約1mm異なっていたため、品質管理検査を逃れ、最終的に事故につながったことです。

打ち上げ失敗後にどうやって復活するか？

打ち上げ失敗後、R&D 担当者は通常、ロケット全体のサブシステムの体系的なレビューと分析を実施します。問題を解決しながら、時には問題点を深く掘り下げてロケットを改良することもあります。したがって、打ち上げの失敗は通常、打ち上げロケットの潜在能力を更新、アップグレードし、活用する絶好の機会となります。

例えば、ベガロケットとともに超小型衛星打ち上げの分野で主力となっているエレクトロンロケットも、打ち上げ失敗後に回収打ち上げを完了した。以前、ロケットの打ち上げ中に電気接続に障害が発生し、電動ポンプの電源が失われ、エンジンが予定より早く停止し、打ち上げに失敗しました。

エレクトロンロケットの打ち上げ再開

ロケット・ラボは、この経験から学び、ロケットのエンジン電動ポンプ用の軽量バッテリーパックも設計し、新しいロケットの低地球軌道容量を増加させました。

偶然にも、SpaceX 社も「ゼロへの回帰」の機会を利用してロケットを改良した。 2015年7月、国際宇宙ステーションへのCRS-7貨物ミッション中に、ファルコン9ロケットは、ロケットの第2段タンクのCOPV支持ロッドが基準を満たさなかったために空中で分解し、ロケットと宇宙船の両方が破壊されました。そしてその年の12月、SpaceXは打ち上げを再開するとすぐに、Falcon 9の新しいフルスラストバージョンを直接打ち上げました。

このアップグレードは「劇的」と言えるでしょう。同社は過冷却燃料を使用しただけでなく、ロケットの第2段タンクを延長し、より長くて強度の高い炭素繊維中間段に交換し、第1段と第2段を分離するための油圧プッシュロッドを追加し、エンジン室を改良し、回復着陸脚をアップグレードし、最後にマーリン1Dエンジンの推力を増加させ、最終的にロケットの低地球軌道容量を最大33％増加させました。

しかし、失敗後の大幅な改修の典型的な例となると、アンタレスロケットがそれに該当するかもしれない。ファルコン9のアップグレードと改造と比較すると、このタイプのロケットはエンジンを直接交換することを選択します。

2014年10月、アンタレスロケットがシグナス打ち上げミッションを実行していたとき、ロケットの第1段にあるAJ-26エンジンが離陸からわずか15秒後に突然爆発した。事故分析では、破片や製造上の欠陥によりエンジンポンプのベアリングが損傷し、それが連鎖反応を引き起こして爆発に至ったと推測されている。ロケットの第1段に搭載されている2基のAJ-26エンジンは、実は40年以上前のソビエト時代に在庫されていたNK-33エンジンです。 1990年代にアメリカから購入し、リフォームしたため、価格が非常に安くなっています。その結果、同社はやむを得ずこのタイプのエンジンを放棄し、RD-181エンジンに切り替えざるを得なくなり、2016年10月にようやく打ち上げを再開した。

アンタレスロケット爆発シーン