ロケット打ち上げが失敗する理由は様々

2022年には世界中で合計186回の軌道打ち上げが実施され、そのうち178回は完全成功、1回は部分成功、7回は失敗し、完全成功率は95.7%でした。失敗したロケットは全部で6種類あり、米国のアストラ3.3ロケット（2回）、欧州宇宙機関のベガC、日本のイプシロンエンハンスト、インドのSSLV、そして我が国の民間商業宇宙会社のハイパーボラ1号とすざく2号です。では、これらのロケット打ち上げ失敗の原因は何でしょうか?航空宇宙関係者はこれからどのような教訓を学べるでしょうか?

心臓は複雑で事故が起きやすい

エンジンはロケットに動力を供給するもので、ロケットの「心臓部」とも言えます。一度障害が発生すると、簡単に打ち上げ失敗につながる可能性があります。問題は、エンジンの構造が複雑で部品が多く、動作環境が厳しいため、故障が比較的起こりやすいことです。統計によると、エンジン故障によるロケット打ち上げ失敗の割合は50%近くになります。 2022年の7回の打ち上げ失敗のうち、アストラ3.3ロケットの最初の失敗とインドのSSLVロケットの失敗を除き、残りの5回の失敗はエンジン故障が直接の原因であり、その割合は71%に上った。

米国のアストラ3.3ロケットは、一連の打ち上げ失敗により廃止された。

具体的には、5 回のエンジン故障のうち 3 回はメインエンジンの問題が原因でした。メインエンジンの故障は、人間の心房や心室の故障に相当します。そこに問題があれば、必然的に深刻な結果を招くことになります。

6月13日に打ち上げに失敗した米国のアストラ3.3ロケットは、第2段の液体エンジン燃料が急速に消費され、予定より早く停止したことが原因であった。 12月21日、ESAのVega-Cは第2段固体エンジンの負圧により故障した。

ESAのVega-Cロケット、初の商業打ち上げに失敗

ロケットには、主エンジンに加えて、姿勢制御のための補助動力を供給する姿勢制御エンジンも搭載されています。一度問題が発生すると、ロケットの飛行姿勢は簡単に大きく逸脱し、ミッションの失敗につながります。

我が国が5月13日に打ち上げたハイパーボラ1号ロケットの第3段姿勢制御エンジンは燃料漏れを起こし、予定よりも早く消耗し、飛行後期に姿勢制御能力を失いました。日本が10月12日に打ち上げたイプシロンロケットの改良型第3段姿勢制御エンジンは、燃料供給パイプラインの圧力低下により正常に作動できず、結局ミッションは失敗した。 12月14日に打ち上げられた我が国の「朱雀2号」第2段ロケットの姿勢制御と終端速度補正に使用されていた液体酸素メタンスイミングロケットエンジンが故障し、ロケットの姿勢が逸脱した。

ロケットエンジンは故障しやすいのですが、その根本的な原因はロケットの特性によって決まります。ロケットは、自身の重量を厳密に制御しながら、エンジンに頼って約10分で最初の宇宙速度まで加速する必要があります。そのため、エンジンには、高推力、高比推力、高推力重量比、低コストなどの高い相反する指標が求められます。これにより、エンジンの動作特性が決まります。エンジンは、材料の限界性能を使い果たす極端なパラメータで動作し、小さな構造空間で高レベルの強力なエネルギー放出と変換を実現します。つまり、エンジンは燃料の化学エネルギーを非常に短時間で飛行運動エネルギーに変換する必要があり、その出力と出力密度は非常に大きくなります。

例えば、長征5号ロケットが打ち上げられると、エンジンの総出力は1600万キロワットに達し、これは三峡水力発電所0.7基の発電能力に相当します。例えば、スペースシャトルのメインエンジンのエネルギー密度は1キログラムあたり1,400キロワットに達し、これは一般的な自動車エンジンの1,600倍以上になります。

複雑で過酷な負荷環境、顕著な構造強度と疲労の問題、製造、使用、保守の高度な難しさなど、ロケットエンジンの開発と応用における課題につながるのは、まさにこの一連の厳格な要件です。失敗が起こるのは驚くことではありません。

基本的な品質の問題は数多くある

2022年のこれらの打ち上げ失敗事例を具体的に分析すると、技術的な品質問題が原因のものもあれば、従来製品の性能上の欠陥や操作ミスといった基本的な品質問題が露呈したものもあった。

2月11日、アストラ3.3ロケットは今年最初の打ち上げに失敗した。直接の原因はフェアリング分離の失敗とソフトウェアの障害でした。第2段エンジンが点火する前にフェアリングが正しく分離できなかった。事故調査の結果、分離システムのケーブルレイアウト設計が間違っていたため、分離のタイミングが予想と異なり、フェアリング分離に失敗したことが判明しました。さらに、ロケットのソフトウェアはデータパケット損失の影響を受け、第2段エンジンが姿勢制御に推力ベクトル制御システムを使用できなくなった。製造業者は、ロケットの2つの問題は「独立」しており、連鎖反応ではないと考えているものの、打ち上げ失敗の根本的な原因は製品設計の欠陥、不十分な技術、不十分な品質管理にあることも示している。

アストラ3.3ロケット

5月13日、我が国の超擲弾1号・堯4号ロケットは、打ち上げ後、異常飛行に遭遇し、打ち上げに失敗しました。調査の結果、故障の原因はロケットの2000ニュートン姿勢制御エンジンに過剰な物質が存在したことで、エンジンの燃料回路のメインバルブがしっかりと閉じず、燃料が漏れて早期に使い果たされ、ロケットが姿勢制御能力を失ったことが判明した。第 3 段飛行段階の姿勢が許容限度を超えると、ロケットのアクティブ安全制御条件がトリガーされ、ロケットは自己破壊コマンドを実行します。これは生産操作上のミスであり、製品に余分な材料が残ってしまうという、典型的な基本的な品質問題でもあります。

8月7日、インドのSSLVロケットの打ち上げ後、最初の3段は正常に飛行し分離を完了したが、第4段（速度補正モジュールとも呼ばれる）は20秒間燃焼する予定であったが、0.1秒しか燃焼しなかったため、ロケットは所定の飛行高度に到達できず、誤った楕円軌道に入った。事故調査の結果、ロケット第4段が飛行中に加速度センサーが故障し、コンピューターが故障に基づいて誤った軌道に切り替え、ミッション全体が失敗したことが判明した。これは典型的なデバイスレベルの製品品質の問題であり、小さな加速度計の故障が大きな事故を引き起こしました。

上記の3つの打ち上げ失敗事例を分析すると、ロケット打ち上げは複雑なシステム工学であることがわかります。設計や製造など、どこかの段階で少しでも問題が発生すると、打ち上げミッションの失敗につながる可能性があります。

初飛行と連勝は簡単ではない

2022年に打ち上げに失敗した6種類のロケットのうち、我が国の「すざく2号」やインドのSSLVなど2種類は、残念ながら初飛行で失敗した新型ロケットでした。実際、新しいロケットの開発プロセスには、新しい技術、新しい材料、新しい条件、新しい環境、新しい位置、新しい人員、新しい機器など、多くの課題が伴い、当然ながらより大きなリスクに直面します。

例えば、我が国の「朱雀2号」は、軌道打ち上げに液体酸素メタンエンジンを採用した世界初の宇宙船です。同社の80トン液体酸素メタンエンジン「天拍」は、世界初のポンプスイング高推力エンジン技術の検証を含む数々の地上テストを完了したが、シミュレーションと地上テストがいかに徹底的であっても、実際の飛行環境を完全にシミュレートすることはできない。

新型ロケットのシステムソリューションと製品の信頼性が飛行試験を通じて十分に評価されていないため、初飛行で失敗する可能性が比較的高い。朱雀2号が軌道に乗れなかったのは残念だが、カルマンラインを初めて越えたことは大きな意義があった。さらに、最新の発射場システム、推進剤、主電源システム、ロケット本体構造、試験発射システムはすべて実戦でテストされています。

インドの小型固体燃料ロケットSSLVは、急成長する小型衛星市場のニーズを満たすために開発されました。全長は34メートル、離陸重量は120トン、低軌道積載量は500キログラムである。打ち上げコストは、成熟したインドのPSLVロケットのわずか10分の1で、組み立て時間は合計でわずか72時間です。 SSLV の最初の打ち上げは失敗しましたが、その迅速な打ち上げと低価格により市場で非常に魅力的になり、将来的には打ち上げの機会が増えることになります。

インドのSSLV、初打ち上げ失敗

実際、すべてのロケット打ち上げミッションは、以前のミッションの単純な繰り返しではありません。いずれかのリンクに間違いがあったり、いずれかの作業に漏れがあったり、いずれかのコンポーネントに障害があったりすると、打ち上げミッション全体が失敗する可能性があります。そのため、ある種類のロケットが連続して戦闘に勝利することは稀です。

2022年に打ち上げに失敗した複数のロケットを例にとると、日本の「イプシロン」シリーズは比較的成熟した固体ロケットだ。 2013年に初飛行に成功し、2022年までに5回の打ち上げミッションを成功させたが、6回目の打ち上げで新たな問題が発生し、失敗した。 ESAのVega-Cは7月13日に初飛行を成功させ、同種の衛星の中で最も強力なモデルとなった。しかし、同年の最初の商業打ち上げでもあった2回目の打ち上げは失敗し、このモデルの将来と市場の見通しは不透明です。

つまり、ロケットの複雑な構造と高度な技術要件により、宇宙打ち上げはリスクの高いシステムエンジニアリング プロジェクトになります。 2022年の打ち上げ失敗を簡単に分析すると、そのほとんどは品質面での「小さな問題」によって引き起こされたことがわかります。 「失敗は成功への近道である」とも言えます。

何があろうとも、打ち上げを成功させることはロケットの永遠のテーマであり、ロケット開発者の永遠の追求です。失敗に直面しても、世界中のロケット開発者は落胆しないだろう。失敗から学び、隠れた危険を排除し、弱い部分を補い、継続的に改善と反復を行うことで、2023年の宇宙打ち上げはより高いレベルに到達し、より大きな栄光を生み出すと信じています。 （著者：徐振良）