アストラ：何度も失敗しても何度も戦う、ロケットが飛んでも何の問題もない

2021年8月29日、アストラの「ロケット3.3」がアラスカのパシフィック宇宙港から打ち上げられた。点火後、第1段ロケットの5基のエンジンのうち1基が故障し、推力のバランスが崩れた。ロケットは最初発射台上で横方向に動き、その後かろうじて上昇したが、重大な姿勢誤差のため発射管制官は飛行を中断せざるを得ず、最終的にロケットは太平洋に落下した。

現在、米国防高等研究計画局向けに小型即応ロケットの開発に取り組んでいるアストラ社は、コストと性能の間で苦闘している小型ロケット会社の最も典型的な例かもしれない。

アストラ社の「ロケット」ロケットは、主に戦場の必要に応じて緊急時に衛星を打ち上げることができる小型の即応型ロケットを軍に提供することを目的としている。このロケットの打ち上げ能力は、高度500キロメートルの低軌道に約150キログラムのペイロードを送り込むことができる。アストラは2016年10月に設立され、2018年3月に最初のロケットを発射台に乗せた。これはかなり速いペースだ。

同社はロケットに名前を付ける際に非常に怠惰であり、単に「ロケット」と呼んでいました。最初のモデルは「Rocket One」と呼ばれます。しかし、この「ロケットワン」では衛星を軌道に乗せることはできない。これは、ドイツ語で「イルカ」を意味する第1段ロケットエンジン「デルフィン」のテストにのみ使用されます。 「イーサ」と呼ばれる第2段エンジンはまだ開発されていなかったため、カウンターウェイトのみが使用されました。

2018年7月に「ロケットワン」が打ち上げられました。しかし、3月から7月にかけてアストラは数回ロケットの打ち上げを試みたが失敗したと報じられている。 7月20日の打ち上げも失敗に終わった。 「ロケットワン」はアラスカの発射場から離陸したが、わずか27秒間飛行した後、異常が発生して地面に落下した。墜落地点は発射場のフェンスを超えなかった。しかし、アストラの社長は記者団に対し、顧客は発売の結果に非常に満足していると語った。

4ヵ月後、アストラは別の打ち上げを企画しました。ロケットは30秒間飛行した後、飛行が中止され、地面に落下した。同社は打ち上げは成功だったと主張した。

アストラ1.0および2.0ロケットの打ち上げは成功とみなすべきである。なぜなら、第1段ロケットは1基のみであり、垂直に上空に打ち上げられるだけで、軌道に乗る必要はないため、この作業はそれほど難しくないからである。しかし、3.0 期間中、アストラは軌道に投入できる打ち上げロケットを開発する必要があったため、問題の難易度はすぐに飛躍的に増加しました。

とにかく軌道に乗れない

ロケットの 3 番目のバージョンは実際に軌道に乗るモデルであり、その番号は 3.x の形式になっています。最初のものは「Rocket 3.0」と呼ばれます。このロケットは、米国国防高等研究計画局の公式な打ち上げミッションを実行するために使用されます。当初、2020年3月2日がロケット3.0の最後の打ち上げ予定日であったが、地上準備が完了していなかったため、この日は逃された。しかし、米国防高等研究計画局はアストラへの支援を撤回せず、同社に打ち上げミッションの継続を要請した。

3月23日、ロケット3.0はようやく再打ち上げの準備が整ったが、打ち上げ準備中に火災が発生した。当時、地上技術者は訓練を完了したが、原因は不明だが、ロケットは出火し、完全に燃え尽きた。当時、ロケットには衛星は搭載されていなかったため、搭載物の損失はなかったと言われている。

ロケット3.0の破壊後も、アストラは初の宇宙速度への挑戦を続けた。 2020年8月31日、ロケット3.1号機が発射台に設置されましたが、悪天候のため、打ち上げは延期されました。 9月12日、ロケット3.1はついに点火したが、すぐに地面に落下し、空き地で爆発した。アストラ航空の関係者は、この飛行には積荷は積まれていなかったため、故障による大きな被害は出ないだろうと述べた。

次のロケットは3.2です。 2020年12月15日、ロケット3.2号がアラスカから離陸しました。今回は成功に近かったようです。ロケットはカルマン線を無事に越え、高度390キロメートルに到達した。これは衛星を展開する予定の軌道だったが、上段エンジンの燃料混合に問題があったため、模擬ペイロードは最初の宇宙速度に到達しなかった。しかし、アストラは、実験目標が第1段の停止と第1段と第2段の分離を達成することであったため、ミッションは成功したと発表した。これができればミッションは成功なので、人々はただそれを聞いていました。

ロケット3.3号機が横向きに飛行 2021年8月29日、ロケット3.3号機はアラスカのパシフィック宇宙港から打ち上げられたが、再び失敗した。失敗のシナリオはこの記事の冒頭で説明したとおりです。同社の共同創業者兼最高経営責任者（CEO）のケンプ氏は、失敗の約90分後に行われた電話記者会見で、第1段ロケットの5基のエンジンのうち1基が離陸後1秒も経たないうちに原因不明で故障し、打ち上げ失敗につながったと述べた。

ロケットエンジンが故障したら、ロケットは爆発しないのかと疑問に思うかもしれません。アストラのロケットはなぜ、しばらく苦戦しながらもついに飛び上がるほど「粘り強い」のでしょうか？これはロケットの飛行原理から始めなければなりません。

ロケットが上昇する速度を得るためには、ロケットエンジンの推力がロケットの重量よりも大きくなければならないことは周知の事実です。この指標を表す業界用語として「推力重量比」があります。アストラが発表した情報によると、今回打ち上げられたロケットは液体酸素と灯油の燃料を使用し、長さ11.6メートル、直径1.32メートルである。標準的な貨物コンテナに収まるように設計されています。設計された太陽同期軌道の積載量は25キログラム、低軌道の積載量は100キログラムです。ロケットの第1段には、電動ポンプで駆動する5基の「ドルフィン」エンジンが搭載されており、総推力は約140キロニュートンです。第2段には、真空推力約3.1キロニュートンの「エーテル」エンジンが1基搭載されています。

この打ち上げ中、ロケットはエンジンの1つが故障したにもかかわらず、地面に落ちることなく位置を維持し、地面に沿って横方向に移動することができました。これは、まだ作動している残りの4つのエンジンによって生成された推力がロケットの重量と正確に等しいことを示しています。このとき、ロケットは上向きに飛ぶための加速を得ることができません。しかし、ロケットエンジンが推進剤を消費し続けると、ロケットの総質量は減少し続けます。推進剤がある程度消費されると、ロケットは再び上向きの加速を得て上昇を始めます。

他にも疑問があるかもしれません。それは、なぜロケットはその場で浮かぶのではなく、横に移動したのかということです。

これは、ロケットで故障したエンジンが5つのエンジンの真ん中ではなく、片側に配置されていたことを意味します。この場合、ロケットの推力は不均衡であり、理論上はロケットは地面に落ちるはずですが、なぜ地面に落ちなかったのでしょうか?これはロケットの姿勢制御システムのおかげです。

一般的な打ち上げロケットには誘導・制御システムが搭載されていることはご存じのとおりです。誘導システムは、ロケットにいつ旋回するか、どの程度旋回するか、どのような条件でロケットエンジンを停止するかを指示する役割を担っています。誘導システムの指示に従って、打ち上げロケットは最終的に所定の軌道に到達します。

では、エンジンの偏向を指示し、誘導システムの指示を実行するためにロケットを制御するのは誰でしょうか?それがロケットの姿勢制御システムです。

姿勢制御システムは、ロケットの現在の姿勢を常に感知し、エンジンの偏向方向を調整して、ロケットの姿勢を誘導システムによって指定された位置に戻す必要があります。この期間中、ロケットの姿勢は必然的にさまざまな外乱を受けるため、姿勢制御システムはこれらの外乱を克服してロケットの姿勢を制御する必要があります。

ロケットが打ち上げられると、誘導システムは通常、垂直に90度上向きに飛行するように指示を出します。アストラのロケットの片側に搭載されたエンジンが故障して停止したとき、ロケットの重心はエンジンの推力が作用する位置よりもはるかに高くなっていました。ロケットのバランスを維持するために、ロケット姿勢制御システムは、エンジンを反対側に振って反対の推力トルクを発生させ、ロケットの姿勢を可能な限り垂直に保つように制御する必要がありました。しかし、これによって別の副作用も生じます。ロケットに横方向の力が加わり、ロケットが横方向に飛ぶようになるのです。

テレメトリデータによれば、地上管制官がエンジンを停止した時点でロケットは地表から約50キロメートルの高度に到達していた。したがって、Astra が成功裏に打ち上げられるまでには、まだ長い道のりがあります。

度重なる失敗にもかかわらず、その野望は変わらない。打ち上げは再び失敗したが、アストラの勝利への野望には影響しなかったようだ。彼らによれば、過去３回の軌道飛行はすべて失敗しているものの、それぞれの飛行は低地球軌道に入るという最終的な成功目標に近づいているという。

同社トップはツイッターで、チームを非常に誇りに思うと述べ、宇宙征服は困難かもしれないが、このロケットのように我々は諦めないだろうと自らを励ました。このような大胆な言葉は感動的だが、実際に彼を諦めさせないのは、彼がすでに受け取っている約1億ドルの投資である。これほど巨額の資金の支援と、米国防高等研究計画局との先行販売契約により、同社は今後も試行錯誤を続けていくことができるだろう。