打ち上げ中止：ロケットを救う無力な「トリック」

各国のロケット打ち上げミッションを見てみると、打ち上げ中止は珍しいことではありません。これは無力な手段であると同時に、欠陥のある飛行によるロケットと衛星の両方の破壊の可能性を回避し、ロケットを救出するための「秘密兵器」でもある。例えば、今年2月17日には、日本の次世代ロケットH-3が種子島宇宙センターで初飛行を行った。コアステージの水素酸素エンジンが正常に点火した後、制御システムが固体ブースターに点火信号を送る前に、自己検査で電源異常が見つかったため、コアステージのエンジンはすぐに停止され、ロケットの打ち上げは中止せざるを得ませんでした。では、打ち上げ中止と打ち上げ失敗の違いは何でしょうか?打ち上げ中止の特徴は何ですか?どのような条件下で動作する傾向がありますか?

H-3ロケットは点火後に打ち上げを中止した（出典：日本メディア）

特別な「後悔薬」が効く

打ち上げ中止とは、ロケットが打ち上げカウントダウンに入った後、技術的、気象的、着陸エリアなどの理由により、打ち上げミッションが一時的にキャンセルされることを意味します。この状況は通常、ペイロードやロケットに大きな損傷を与えることはありませんが、効果的な保護手段となります。特に技術的な障害に直面した場合、ロケットは適時に打ち上げを中止し、推進剤を放出し、ペイロードを除去してから包括的な検査を実施する必要があります。これにより、より高い成功率が達成されると期待されます。こうしたロケットの「後悔薬」は、非常に効果があることが多いと言えます。

タイミングに基づいて、打ち上げ中止は 2 つのカテゴリに分けられます。最初のタイプは、ロケットが点火する前に、人員またはシステムがロケットの離陸条件が満たされなくなったと判断したときに発生します。

例えば、米国のクルー6有人宇宙ミッションの打ち上げは、今年2月27日にファルコン9ロケットの点火システムに異常反応が検知され、予定通りに打ち上げプログラムが終了されたため中止された。その後、宇宙船に乗っていた宇宙飛行士たちは危険を回避し、無事に発射台を離れた。

2 番目のタイプの打ち上げ中止はさらに危険です。ロケットは点火されていますが、ロケット本体は拘束解除装置によってまだ発射台に「引っ張られて」いるか、ロケット全体の推力対重量比が 1 未満であるため、まだ発射台から飛び去っていません。現時点では、ロケットはまだ時間内に打ち上げを中止できるという希望を抱いている。

H-3ロケットの初飛行もそうでした。コアステージのLE-9エンジンが点火され、最大推力の90%に達した後、制御システムが異常な信号を検出しました。次に、飛行制御ソフトウェアは直ちにカウントダウンを終了し、LE-9エンジンを停止し、固体ブースターへの点火信号をキャンセルしました。予備調査の結果、異常信号はLE-9エンジンの地上電気設備に関連していることが判明しましたが、最終的な原因はまだ調査中です。

インテリジェントなセルフチェックは非常に強力です

打ち上げ中止は効果的な保護手段ですが、宇宙打ち上げミッションには大規模で複雑なシステムが関わってきます。これまでは、ロケットの打ち上げ前検査中に潜在的な欠陥を適時に検出することが難しく、打ち上げ中止という「命を救う秘策」を逃すこともあった。ロケットのインテリジェント化が進み、システムの自己チェック機能が向上するにつれて、ロケット点火後に問題が適時に発見され、打ち上げが中止されるケースが徐々に増加しています。ロケットが発射台を離れない限り、通常は回復するチャンスがあります。

2020年8月、米国のデルタ4ヘビーロケットがNROL-44秘密軍事打ち上げミッションを遂行し、スリリングな「災害大ヒット作」を演出した。当時、ロケットの核となる第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、ロケットが発射台から飛び立つことができなかったため、すぐに炎がロケットを取り囲んだ。危機に直面したが、制御システムは緊急時に自動的にシャットダウンし、ロケットの打ち上げは時間内に中止され、フェアリング内の国家偵察局のペイロードは安全かつ健全であった。

デルタ4ヘビーロケットは点火後に打ち上げを中止した（出典：米メディア）

このミッションのペイロードは「メンター」というコード名で呼ばれ、当時のアメリカの最新鋭偵察衛星だったと伝えられている。有名な「鍵穴」シリーズよりも神秘的な作品でした。この種の衛星を建造するコストは、同じ重さの金を超えるという報告さえある。この種のペイロードに直面した場合、発射装置は事前に必ず慎重な検査を実施しますが、それでもすべての隠れた危険が排除されているとは保証できません。その打ち上げの1年以上前、同じロケットが「キーホール」衛星の打ち上げ時に緊急停止し、潜在的危険を伴うままロケットと積載物の打ち上げが直ちに阻止された。センサーの故障はすぐに特定されました。トラブルシューティングと意思決定を支援するインテリジェント システムがなければ、これら 2 つの偵察衛星打ち上げミッションはおそらく取り返しのつかない損失を引き起こしていたでしょう。

ロケット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。これらは多くの場合、エンジンの点火プロセスの異常によって発生し、インテリジェント システムが自動的に起動します。例えば、2016年2月にファルコン9ロケットがSES-9衛星を打ち上げた際、点火システムは1つのエンジンの推力の異常な低下を即座に検知し、ロケットは即座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、ロケットは発射台にしっかりと「押し付けられ」、離陸することはなく、点火剤の自然発火により緑色の光を発しただけだった。

その後の調査で、極低温推進剤が長時間の静止後に徐々に温度が上昇し、ロケットタンク内の加圧ヘリウムが推進剤と混ざってターボポンプに吸い込まれ、異常な推力が発生したことが判明した。失敗の原因は、打ち上げ前検査官の「思考の盲点」に関連していた。感度が高く効率的なインテリジェントシステムのおかげで、打ち上げは時間通りに終了することができました。

問題が発生する前に予防するよう努める

打ち上げ中止がタイムリーに実施されたのは、技術的な要因だけでなく、さまざまな種類のエンジンの点火シーケンスを事前に設定することなど、全体的な計画によるものです。

H-3ロケットを例に挙げてみましょう。典型的な固液ハイブリッドロケットとして、コアステージには高比推力の水素酸素液体エンジンを採用しています。同時に、推力不足を補うために、高推力固体ブースターによって補完されています。固体ブースターの粒子は、通常、セグメント化された鋳造によって形成され、その後切断されて成形されます。大きな推力、シンプルな構造、信頼性の高い動作などの利点があります。欠点は、一度点火すると燃焼プロセスが自然発生的に継続し、液体エンジンのように推進剤の供給を遮断して時間内に停止することが難しいことです。

2 つのエンジンの特性を比較検討し、固体液体ハイブリッド ロケットの点火シーケンスを設計する場合、固体ブースターは例外なく「最下位のプレーヤー」となります。ロケットのコアステージの液体エンジンが最初に点火され、十分な推力に達して安定して作動すると、制御システムは「不可逆」な固体ブースターを点火します。問題が発見され、システムが離陸条件が満たされていないと判断すると、固体ブースターへの点火信号をブロックし、固体ブースターが点火される前にコアステージエンジンを停止することで、打ち上げを中止することができます。 H-3ロケットで起こったのと同じことだ。

システムが固体燃料補助燃料の点火を時間内に阻止できず、瞬間的な高推力でロケットが急速に飛び去った場合、後戻りはできず、打ち上げは失敗とみなされるのでしょうか?理論的には損失を減らす可能性のある 2 つの特別な「トリック」もありますが、ミッションが成功したとしても、他のコストが発生します。

最初の「秘訣」は、冗長電源バックアップを提供することです。ロケット自体にある程度の電源冗長性が設計されていれば、個々のエンジンが故障すると、ロケットは故障したエンジンを自動的に停止し、並行して稼働している他のエンジンが異常なエンジンの作業を「引き継ぎ」、制御およびナビゲーション システムを通じて残りのエンジンの推力を適切に増加させて稼働時間を延長するように再計画することができます。過去には、サターン V 型大型ロケット、スペース シャトル、ファルコン 9 ロケットがそれぞれ異なる方法で電力冗長性を活用し、基本的にそれぞれの目的を達成し、ミッションの信頼性を隠して向上させてきました。

2 番目の対策は、基本的に予備の推進剤を使用してエンジンの動作時間を延長する冗長バックアップを提供することですが、実際に「懸命に働く」のは故障したエンジンの次の段階です。

2016年3月、シグナス宇宙船の打ち上げ中に、アトラスVロケットの第1段エンジンが打ち上げの5秒前に突然停止した。その後、ロケットの第2段エンジンはタンク内に残っていた燃料を使用して燃焼時間を1分延長し、最終的に宇宙船を軌道に乗せました。その後、第1段エンジンが1秒早く停止していたら、打ち上げミッション全体が失敗していただろうと推定された。結局のところ、備蓄された推進剤による緊急援助は無制限ではなかった。

しかし、費用対効果やエンジニアリングの難しさなどの要素を考慮すると、ロケットのパワーや燃料の冗長性に過度な期待を抱くべきではない。飛行中に電力システムに障害が発生すると、簡単に「回復不能な」打ち上げ失敗につながる可能性があります。したがって、インテリジェントな手段を使用して適時に障害をトラブルシューティングし、打ち上げを断固として中止し、ロケットが離陸する前に隠れた危険を排除することが、問題が発生する前にそれを防ぐ本当の方法です。 （著者：王欣）