この記事では宇宙船の打ち上げがいかに難しいかを説明します

宇宙打ち上げの際には、どんな小さな欠陥でも打ち上げの完全な失敗につながる可能性があります。最も複雑な工業製品の 1 つである打ち上げロケットの何百万もの部品はすべて重要であり、それぞれが独立して動作するわけではありません。

サターンVがアポロ6号を発射台39Aから運び出す

ロケットは、重力に打ち勝ち困難を乗り越えて上昇する動力系、姿勢や方向の制御を担う制御系、各系に電力や情報を供給する電気系など、複数のシステムに分かれています。この記事では、ロケット飛行の失敗の原因となった欠陥をいくつか取り上げて説明します。

電力システム障害

1. ロケットから油が漏れた

2007年6月15日、ユナイテッド・ローンチ・アライアンス設立後3回目の打ち上げとして、アトラス5-401ロケットが再び打ち上げられた。搭載されているのは、NROL-30（米国国家偵察局）の番号が付けられた2機の白雲3号海洋監視衛星である。白雲3号衛星は両方とも信号諜報（SIGINT）ペイロードを搭載しています。 NROL-30ミッションは、高度1,100キロメートル、傾斜角63.4度の低軌道に打ち上げられる予定だ。このミッションは、アトラス5ロケットによる白雲3号衛星の初打ち上げとなる。

「宇宙神」が海洋衛星「白雲3号」を打ち上げる

ロケットは打ち上げられ、ロシア製のRD-180エンジンが停止し、単発エンジンのセントール上段が分離し、RL-10A-4-2エンジンが点火した。

しかし、2機の白雲3号衛星は近地点高度約900キロメートル、遠地点高度1,100キロメートルの軌道にしか進入しなかった。主エンジンを停止し、補助スラスタを使用して軌道を完全に上昇させた後でも、軌道長半径の偏差は依然として100キロメートルを超えていました。厳密に言えば、この打ち上げは成功ではなかった。白雲3号衛星は巨大な監視アンテナを搭載しており、機動性は高くないと思われる。

問題はセントール上段のRL-10A-4-2エンジンにあります。液体酸素バルブの漏れにより、エンジンの酸化剤と燃料の混合比が大きく逸脱し、エンジンが4秒早く停止しました。

2. ぼろ布による爆発

1990年2月22日、2基の通信衛星を搭載したアリアン4号ロケットがフランス領ギアナのクールー宇宙発射センターから打ち上げられました。 470 トンの Ariane 44L 構成では 4 つの液体ブースターが使用され、各液体ブースターには 9 度の角度で設置された Viking 6 液体ロケット エンジンが使用されます。第1段では、Viking-5C液体ロケットエンジンを4基使用します。第2段では、バイキング4B常温推進ロケットエンジンを使用します。これらのエンジンはすべて、四酸化窒素と UH-25 の二元推進剤常温推進剤を使用しています。 H10段は極低温推進剤を使用し、HM-7Bロケットエンジンで759秒間燃焼し、最大4.73トンのペイロードを静止トランスファー軌道に打ち上げました。

アリアン44Lロケット

ロケットは点火して打ち上げられたが、発射台を離れる前に、コアステージのバイキング5Cエンジンが停止した。 44L構成では、8基のエンジンが垂直方向に合計535トンの推力を生み出し、470トンの打ち上げロケットを推進します。エンジンが1つ失われた後、推力はロケットの質量よりわずかに大きい程度まで減少したため、ロケットはゆっくりと上昇し、ガスが発射台の上部を洗い流しました。クールー宇宙センターの職員は、ロケットが軌道に到達できるほど上昇するとは予想していなかったが、発射台上でロケットを爆発させたくはなかった。そうなれば、400トンもの猛毒推進剤が爆発し、発射台は完全に破壊され、基地全体が有毒な煙で満たされることになる。ロケットは1分以上ゆっくりと加速したが、空気抵抗によってバラバラになり、その破片はフランス領ギアナの沼地に墜落した。 5億ドル相当の2つの通信衛星、スーパーバード2号とBS2Xが完全に破壊された。

問題はすぐに見つかりました。犯人はバイキング5Cエンジンの残骸の中にあったぼろ布でした。 2成分推進剤を同等の混合比で混合して燃焼させると、温度は3000度を超えます。当然のことながら、このような高温の燃焼ガスでは、いかなるターボポンプも駆動することはできず、合金材料は溶けてしまいます。ヨーロッパ人は、バイキングエンジンのガスを冷却するために、ポンプを使ってガス発生器に冷水を追加することを選択しました。問題は、水管が詰まったためにターボポンプが高温の燃焼ガスによって破壊され、エンジンが推力を失ったことだった。

調査の結果、エンジン内の水道管を磨き直す必要があることが判明したが、担当技術者が水道管にハンカチを入れてしまい、週末に帰宅した後に体調を崩してしまった。新しい担当者はハンカチが入っていることに気づかなかったため、ロケットが打ち上げられるまでハンカチは異物としてバイキング5Cエンジン内に封入されたままだった。

構造上の欠陥

1. ロケットフェアリングによって打ち上げが「停止」

最初の一連の火星探査機は、マリナーCと呼ばれる構造物を使用して建造された。261キログラムの探査機は、アトラス・アジェナDロケットで打ち上げられる予定だった。 1964年11月の地球と火星の移行期間に火星に向けて出発する予定だった。11月5日、アトラス・アジェナDロケットがマリナー3号探査機を宇宙に打ち上げた。アトラスロケット段は正常に分離し、アジェナD段のベル8096エンジンが点火しました。計画通り分離した後、探査機のテレメトリは太陽電池パネルが展開されなかったことを示した。エンジニアたちはすぐにフェアリングが開いていなかったことに気づいた。地上からフェアリングを開くよう指令が送られたが失敗した後、NASAのエンジニアはフェアリングを吹き飛ばすために姿勢制御スラスタを点火することを提案したが、実際には打ち上げはすでに失敗していた。フェアリングの重量増加により、アジェナDの上段ロケットは探査機を火星まで移動させるのに十分な加速をすることができなかった。実際、探査機は近日点0.983 AU、遠日点1.311 AUの軌道に入っただけだった。打ち上げに失敗しました。その後間もなく、マリナー3号探査機は電力不足のため「死亡」した。

アトラス アジェナ D がマリナー 3 を打ち上げ

NASAが開始した事故調査により、故障の原因は新しいグラスファイバー製ハニカムフェアリングのテストが不足していたことにあることが判明した。大気圏を通過すると、空気が抜けたハニカムモノマーと外部の真空との圧力差によりフェアリングの内殻が破裂し、分離機構が動かなくなってしまった。同局はマリナー4号の打ち上げに向け、2週間後の新しいマグネシウム合金製フェアリングを準備した。 11月28日、マリナー4号は火星への旅に出発した。

2. ブースターアサシン

謎に包まれたSTS-27ミッションでは、初のラクロス合成開口レーダー画像衛星が打ち上げられる予定だ。内部コード名は「オニキス」で、1988年12月2日にスペースシャトル「アトランティス」に搭載されて打ち上げられた。これはSTS-51-Lの失敗後の2回目のスペースシャトルミッションであった。この衛星は近地点高度437km、遠地点高度447km、傾斜角57°の軌道に配置されており、USA34という番号が付けられている。

STS-27 は、気象条件によりシャトルが湿気の多いケネディ宇宙センターに数日間留め置かれるという危険なミッションでした。オニキス1号衛星は極秘ミッションだったため、打ち上げ時間は打ち上げの24時間前まで確定されなかった。極秘のレーダー衛星画像の漏洩を防ぐため、STS-27 ミッションではミッション画像の送信に最低のビット レートのみを使用しました。オニキス1号衛星の展開後、ミッションコントロールセンターはスペースシャトルの乗組員に対し、破片が熱防護システムに衝突した可能性があると伝え、乗組員はロボットアームで熱防護システムの目視検査を実施した。彼らは、貨物室の腹部の断熱タイルがひどく損傷しており、ロボットアームが熱の流れが最も激しい翼の前縁に到達できないことを知り、恐怖を感じました。彼らはミッションコントロールに被害を報告したが、先史時代の画像が鮮明さを損ねたため、ミッションコントロールのエンジニアは被害が軽微であると結論付けた。怒った司令官は、シャトルが再突入に耐えられないだろうと悟った。しかし、軌道上のアトランティス号を救出するために間に合うスペースシャトルが到着できなかったため、彼にできることは何もなかった。彼は乗務員に対し、今後数日間の飛行を楽しむよう伝えた。

完全に破壊された腹部断熱タイル

12月6日、スペースシャトルのオービターは軌道離脱点火を実行した。幸運なことに、完全に破壊された断熱タイルの下には、より耐熱性の高い S バンド アンテナ部品一式があり、アトランティス号は奇跡的に災害を免れました。

NASAはようやくシャトルの損傷の程度を把握し、調査を開始した。問題は、スペースシャトルの再利用可能な固体ロケットブースターのノーズコーン、つまりクロロスルホン化ポリエチレンゴムに起因していた。この物質は打ち上げ前に15日間のみ保管される予定だったが、STS-27では湿度の高い環境で45日間保管された。ノーズコーンの圧力許容限界は急速に低下し、1 週間以内に 30% ～ 40% 減少します。また、衝突時の速度はマッハ2.5を超えており、通常の小さな破片では探査機周辺の衝撃波を通過できないと同局は推測している。破片の大きさは1.5〜3メートルになる可能性がある。

新しい製造手順により、スペースシャトルの再利用可能な固体ロケットブースターのノーズコーンのプロセスが改善され、ノーズコーンの破片やスペースシャトルの熱保護システムへのその他の損傷の脅威が大幅に軽減されました。これらの調査と改良は、STS-107 ミッションの 14 年前に行われました。

電気系統の故障

1. 逆制御回路

AS-502ミッションはサターンVロケットの2回目の飛行試験でした。搭載物はLTA-2R月着陸船試験片とCSM-020宇宙船で、宇宙の秒速近くでの再突入を試験するために使用されました。

ロケットの第1段は離陸後149秒で分離し、その後5基のJ-2エンジンが点火して319秒まで作動したが、その時点で第2エンジンの推力は3分の1以上低下した。離陸から412.92秒後、第2J-2エンジン室の温度が急上昇し、その後エンジンが停止した。 1秒以上経って、第3エンジンも停止した。しかし、ロケットの計器室内の制御装置は、1 つのエンジンが故障した場合の弾道の変化のみを考慮しており、2 つのエンジンが故障した場合の計画は組み込まれていません。そのため、設計された 4 ショット動作モードを復元しようとしました。ロケットは、S-II ステージが分離する 576 秒まで、誤った「ヘッドアップ」モードで加速を続けました。予想より57.81秒長く燃焼し、ロケットは大きく誤った軌道をたどった。

S-II ステージの 2 つの問題 - 第 2 エンジン点火装置のベローズの漏れにより、燃料遮断により第 2 エンジンが停止しました。 3号エンジンが停止したのは、2つのエンジンの制御ラインが誤って逆に接続されていたため、酸化剤バルブを閉じるコマンドが3号エンジンに送信され、エンジンが予定より早く停止したためです。

2. パラメータ設定が間違っている

SES-14 通信衛星は、All-ElectricSat-3000EOR プラットフォーム上に構築された 4,423 kg の全電気衛星であり、NASA の GOLD ペイロードを搭載しています。 GOLD は、132nm ～ 162nm 帯域で動作する遠紫外線ハイパースペクトル検出器です。 2 つの同一の独立した検出器を備えており、主に地球の電離層の観測に使用されます。これは、地磁気嵐や太陽嵐が電離層に与える影響や、電離層自体のいくつかの特性を研究するために使用できます。

SES-14通信衛星

Al Yah-3通信衛星の重量は3,795kgで、GEOStar-3プラットフォーム上に構築されています。これはUAEのアル・ヤー衛星通信会社が所有する。この衛星は、軌道上昇のために石川島播磨重工業製のBT-4スラスタを使用し、位置維持のためにXR-5ホールスラスタを使用している。

2018年1月26日（北京時間）、アリアン5ロケットが2つの通信衛星を宇宙に運びました。目標軌道は、近地点高度250キロメートル、遠地点高度45,234キロメートル、傾斜角3度の特殊な超同期トランスファー軌道であった。 SES-14 は全電気衛星であるため、このような軌道が設計されました。この軌道では、衛星は24時間太陽光に照らされるため、24時間周期の楕円軌道への上昇が容易になり、電気推進を継続して軌道を上昇させることができます。二次衛星「アル・ヤハ3」も電気推進装置を搭載しているため、影響はそれほど大きくない。

しかし、第一段が停止して分離し、第二段が点火されてから数秒後、ロケットのテレメトリ信号は失われた。

実際のところ、ロケットは離陸時に間違った方向に向かっていたのです。アリアンは、ロケットの第2段に問題があったと述べた。その日遅く、2つの衛星信号が地上局によって捕捉されました。

衛星は近地点高度232km、遠地点高度42,163km、傾斜角20.64°の軌道に入った。 SESは、SES-14衛星の寿命への影響はほとんどないが、軌道の引き上げと位置決めにはさらに4週間かかると発表した。しかし、「アル・ヤー3」は不運だった。近地点角が正しくないため、化学スラスタを直接使用して軌道を上げると、その寿命は少なくとも 16 年短くなり、完全な損失に相当します。

アル・ヤー3号衛星は、4回の化学スラスタ噴射によって楕円軌道に投入された。 2018年5月9日、ついにアルヤー3衛星の位置決めに成功しました。 2019年10月にはSES-14も電気推進による測位に成功しました。

問題はアリアン5ロケットの誘導システムにある。このミッションは非常に特殊で、超同期トランスファー軌道です。そのため、アリアン5ロケットの慣性誘導装置の特定のパラメータは、特別な飛行方位要件に基づいて70°に設定されるべきでしたが、実際には90°に設定されていたため、最終的にロケットはローリング時にさらに20度南に回転し、最終的にロケットはT+566にテレメトリ範囲外に飛び出し、信号を失いました。

制御システムの故障

無視された数学記号

1962年7月22日、アトラス アジェナ B はケープカナベラル空軍基地から無事に打ち上げられましたが、そのミッションはすぐに失敗しました。アトラスロケットが停止する前の最後の数秒で、ロケットの姿勢がばらばらになり、ミッションコントロールセンターによって爆発し、破片が大西洋に落ちた。数か月の調査の後、問題が明らかになりました。アトラス ロケットの誘導アルゴリズムは平均速度の計算に基づいており、この変数がナビゲーション コンピューターに入力されると、平均を表す小さなダッシュは無視され、レーダーによって測定された瞬間速度が平均速度に置き換えられました。この問題は以前にも発生しましたが、飛行には影響しませんでした。通常、ロケットは地上局が測定した速度データをアンテナ経由で4回受信するが、今回は受信アンテナが地面にロックしなかったため、ナビゲーションコンピューターは矢印の誘導アルゴリズムに自動的に切り替え、過剰な補正を行い、ロケットが進路から外れた。