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●原因はソ連製ロケット・エンジンだったのか?
今から1年前の2014年10月28日、米国ヴァージニア州にあるウォロップス島から打ち上げられた「アンタリーズ」ロケットは、その直後に爆発を起こし、大きな火の玉となって地上に落下した。その劇的な映像や写真は、SNSなどを通じて広く拡散され、多くの人に衝撃を与えた。

もちろん衝撃を受けたのは外野だけではなかった。アンタリーズ・ロケットを開発、製造したオービタルATK社。爆発したと考えられているロケット・エンジンを供給したエアロジェット・ロケットダイン社。そしてこの打ち上げを発注した米航空宇宙局(NASA)。失敗への対応と、原因の調査、そして対策に、この3者は揺れに揺れた。

本稿ではまず、アンタリーズ・ロケットの打ち上げ失敗とその原因調査の経緯から見ていきたい。

○アンタリーズの失敗

アンタリーズ・ロケットは米国のオービタルATK社が開発したロケットで、主に国際宇宙ステーション(ISS)に補給物資を運ぶ「シグナス」補給船を打ち上げることを目的に開発された。

NASAは長らく、ISSへの物資補給にはスペース・シャトルを使っていたが、2000年代に入り、これを民間企業に任せてはどうか、という動きが出始めた。民間に任せることでコスト削減が図れ、また米国の宇宙産業の振興も期待された。

そしてNASAは2006年に、民間企業に資金を提供してロケットと補給船を開発させ、さらにその企業に補給任務を委託することを狙った「COTS」という計画を立ち上げた。この計画には何社かが名乗りを挙げ、その中から近年民間宇宙開発の雄として知られるスペースX社と、そしてオービタルATK社の2社が選ばれた。両社はNASAからの資金提供を受け、スペースX社は「ファルコン9」ロケットと「ドラゴン」補給船を、オービタルATK社はアンタリーズとシグナスを開発した。

同じ計画の下で開発されたロケットでも、ファルコン9とアンタリーズは大きく異なる。ファルコン9はタンクやロケット・エンジンといった部品の自社製造にこだわった造りをしているが、アンタリーズは自社製にこだわらず、第1段ロケット・エンジンはロシア製、第1段タンクはウクライナ製を採用している。

両方のやり方にはそれぞれ長所と短所があり、どちらが優れているというわけではない。実際に両者は、NASAが発注した補給ミッションを順調にこなしていた。

しかし2014年10月28日、アンタリーズとシグナスにとって4機目となった打ち上げで、アンタリーズが打ち上げから15秒後に爆発、失敗に終わることになった。

(余談だが、2015年6月28日にはファルコン9も打ち上げに失敗し、ドラゴンが失われている)。

○旧ソ連製ロケット・エンジンが爆発

アンタリーズの失敗理由については、早い段階から第1段ロケット・エンジンの「AJ26」にあると見られていた。

AJ26は今から40年ほど前に、ソヴィエトで設計、開発、そして生産された「NK-33」というエンジンを、アンタリーズ用に改修したものである。アンタリーズはこのNK-33あらためAJ26を2基、第1段に装備している。

にわかには信じにくいこともあって誤解されることも多いが、このAJ26は昔に設計されたエンジンを再生産したものではなく、設計も生産も昔に行われ、その後使われないまま倉庫に保管されていたものを掘り出して使っている。

かつてソヴィエトは米国に対抗し、有人月着陸を目指し、巨大な「N-1」というロケットを造っていた。NK-33はその第1段として使われる予定だったが、N-1の開発が頓挫したことで使われず、生産済みだったNK-33はそのまま倉庫にしまい込まれることになった。

それを1990年代に米国のロケットダイン社(現在のエアロジェット・ロケットダイン社)が発見し輸入、試験などを行い、優れた性能をもつエンジンであることが判明。そしてオービタル・サイエンシズ社(現在のオービタルATK社)が採用を決定し、アンタリーズ向けに改修が施された。

この改修は、単にアンタリーズに装着するために電気系統などに手を入れ、またエンジンを振って推力の方向を変えるためのジンバル機構が装着されるなどしただけで、たとえば米国の技術でエンジンの性能を向上させるようなことは行われていない。エンジン名こそAJ26に変わったが、実際のところはNK-33をそのまま使っていると言ってもよい。

○原因はエンジンか、ロケット機体か

打ち上げ失敗がエンジンの爆発によるものであることはほぼ間違いなかったが、なぜエンジンは爆発したのか、という原因をめぐり、調査は揉めることになった。

たとえばエンジンそのものに原因があり、その結果爆発したのであれば、それはエアロジェット・ロケットダイン社の責任になる。しかし、もしロケットの機体側に原因があり、その結果としてエンジンが爆発し、続いてロケット全体も爆発 したということであれば、それはオービタルATK社の責任になる。

事故調査の過程は公開されなかったが、当初はおおむね、エンジンそのものに原因があったという見方が濃厚だった。実際、当時の映像を見てもエンジンから爆発が起こったことは火を見るよりも明らかで、エンジンを供給したエアロジェット・ロケットダイン社の責任である可能性が高いとされた。

しかし、エアロジェット・ロケットダイン社側からは「タンク内にあったゴミがエンジンに入り込み、その結果エンジンとロケットが爆発したのではないか」という説が出された。どの段階からこの説が出始めたかは不明だが、今年2月に調査チームの1人がロイター通信に対し、「タンク内のゴミが原因の候補のひとつに挙がっている」と明らかにしている。

製造後のタンクには、湿度から品質を守るための乾燥剤が入れられている。通常、この乾燥剤は組み立て時に取り除かれることになっているが、それが忘れられたまま打ち上げられ、そして乾燥剤がエンジンに入り込み、爆発を引き起こしたのではないか、というのだ。実際に、事故後にエンジン部品を調べたところ、結晶化した乾燥剤の粒子が発見されたという。

こうしたゴミのことをForeign Object Debris(外部由来の異物)の頭文字から「FOD」と呼ぶ。実はこうしたFODが原因での事故は珍しくはない。過去にはウクライナ製のジニート・ロケットが、やはりFODが原因でロシア製エンジンが爆発し、失敗したとされる事故が起きている。フランスも1990年に、アリアン4ロケットの配管に布が入り込んでいたことで打ち上げに失敗している。

もしこれが原因だとすると、責めを負うべきはロケットを組み立てたオービタルATK社ということになる。もっとも、状況証拠しかない状態ではFODが原因とするには根拠が弱く、調査結果がまとまるにはさらに時間を要した。今年5月には、オービタルATK社側から「やはりエンジン側に原因があったのではないか」という説が再び出されるなど、オービタルATK社とエアロジェット・ロケットダイン社との論争は続いた。

結局、今年9月24日に、エアロジェット・ロケットダイン社がオービタルATK社に5000万ドルを支払うことで、この論争は決着した。ただ、両社の間でどのような合意があり、この結論が下されたか、その詳細は不明となっている。

エアロジェット・ロケットダイン社がお金を払うということは、エンジン側に原因があったと見ることができる。しかし、これ以上調査を続けても原因が見つかる見込みはなく、また論争を続けてもお互いのためにならないので和解した、と見ることもできる。

エアロジェット・ロケットダイン社は事故の分析結果を明らかにする予定はなく、今回の詳細も発表しないと表明しており、オービタルATK社からもやはり結果などは発表されていない。

○NASAの見解

一方、両者とは別に、NASAも独自の調査チームを組織し、調査を行っていた。アンタリーズの開発にはNASAも資金提供をしており、この失敗した打ち上げを委託したのもNASAだったため、独自に調査するだけの責任があった。

NASAの調査結果は今年10月9日にまとめられ、10月30日に公表された。この事故でアンタリーズは、E15とE16というシリアルのAJ26を装着しており、離昇から15秒後に出火、爆発したのはE15だったとしている。しかし、単一の根本的な原因を特定することまではできなかったとしている。

NASAの調査では、事故の原因として3つの可能性が提示されている。

1つ目は液体酸素ターボ・ポンプのベアリングの設計不良である。先に述べたように、AJ26はもともと40年以上前に設計、製造されたエンジンであることから、現在の基準で見ると、十分に堅実なつくりにはなっていなかったという。

2つ目は、かねてよりエアロジェット・ロケットダイン社が主張していたFODによるものである。墜落後の残骸から痕跡が発見されたとしているが、ただし完全に原因として断定することは難しいとしている。

3つ目は液体酸素ターボ・ポンプのベアリングの製造や組み立て時の欠陥である。オービタルATK社とNASAが法科学による調査を実施したところ、ベアリングに欠陥があったことが判明した。また、2014年5月にAJ26(E17)が地上での燃焼試験中に失敗しているが、このときの調査でも、今回に似た欠陥が見つかったという。しかし、これが製造時の欠陥なのか、それともエンジンが燃焼した結果生じたものであるかの結論を出すことは不可能であるとしている。

NASAでは、この3つのうちのどれかが正解かもしれないし、あるいは2つ以上の組み合わせで起こったかもしれないとしている。また、AJ26の地上試験プログラムは、設計上の問題なのか、あるいは製造時の技術的な問題なのかを見極めるのに十分ではなかった、要するに「試験が不十分だった」とも指摘している。

また、これらの調査結果を踏まえ、さらなる事故を未然に防ぐため、エンジンなどに対する技術的な観点と、また計画の進め方や体制といった観点の両面から、NASAやオービタルATK社に対して多くの改善策の提言が行われた。

参考

atoms/files/orb3_irt_execsumm_0.pdf

explosion-idUSKBN0LO28P20150221

entering-final-phases/

settlement-idUSL1N11U35A20150924

antares/docs/FS007_06_OA_3695%20Antares.pdf

●失敗を乗り越え、アンタリーズはさらにタフになる
○改良型アンタリーズ

アンタリーズの失敗原因をめぐって、ロケットを製造、運用するオービタルATK社と、エンジンを供給したエアロジェット・ロケットダイン社は、1年間ゆれ続けた。その最中の2014年12月にオービタルATK社は、まだ失敗の原因が確定していないにもかかわらず、AJ26の使用を止め、新しいエンジンに替えた「改良型アンタリーズ」の開発を進めると発表した。

ただ、オービタルATK社はもともと、AJ26の使用はいずれ止めるつもりだった。前頁で触れたように、AJ26は今から40年前に製造されたNK-33の在庫を使っている。つまり在庫限りということになるため、いつまでもAJ26を使い続けるわけにはいかない。そこでかねてより、別の新しいエンジンが模索されていた。

その新しいエンジンの候補はいくつかあり、たとえば米国の基幹ロケットである「アトラスV」に使われているRD-180や、ロシアの新型ロケット「アンガラー」に使われているRD-191などが挙がっていた。また、NK-33が再生産されるという話もあったため、もし昨年10月の失敗がなければ、引き続きAJ26/NK-33を使い続けるという選択肢もあったのかもしれない。

最終的に改良型アンタリーズで使用されることになったのは「RD-181」というエンジンである。このことが報じられたのは2014年12月ごろだったが、RD-181という型番と、それがアンタリーズで使われる可能性があるという話は、2013年ごろから出ていた。

○RD-181

このRD-181エンジンの起源は、かつてソ連で開発された大型ロケット「エネールギヤ」の第1段(西側ではブースターと見なされている)に使われている「RD-170」というエンジンにまでさかのぼる。RD-170は燃焼室を4つもつエンジンで、世界で最も強力な推力を出せるエンジンのひとつである。

エネールギヤ・ロケットそのものは2回の打ち上げで運用を終えたが、RD-170の技術は受け継がれ、現在もウクライナ製の「ジニート」ロケットに使われている。また、燃焼室の数を半分の2つにした「RD-180」という派生型も開発され、米国へと輸出され、基幹ロケット「アトラスV」の第1段エンジンとして活躍している。さらに燃焼室が1つのRD-191は、ロシアの新型ロケット「アンガラー」に採用されている。

ロシアでは現在、そのRD-191から派生したRD-193というエンジンを開発しており、アンタリーズに採用されることになったRD-181は、このRD-191とRD-193からさらに派生したエンジンである。ただ、その正体については諸説あり、たとえばRD-191とRD-193では、エンジンの寸法や質量が変わっていることがわかっているが、RD-181の詳細についてはまだ不明な点が多い。

なお、アンタリーズが失敗した直後には、AJ26/NK-33がロシア製であることが批判材料にもなった。RD-181もロシア製ではあるものの、ただしAJ26/NK-33とは違い、ごく最近になって開発、生産された新しいエンジンであり、製造会社も違う。また、ほぼ同型のエンジンはこれまでにアンガラーの打ち上げで使われており、地上での燃焼試験も何度も行われていることから、信頼性もAJ26より高い。さらにRD-181はAJ26よりも推力(パワー)が大きいため、換装することでより多くの物資などを打ち上げられるようになるという利点もある。

ただ、形も推力も違うエンジンをそのまま載せ替えることはできないため、ロケット機体にも、エンジンの取り付け部分の設計を変えたり、より大きな推力に耐えられるよう補強するなどの改修が必要となる。

2015年11月現在、RD-181はすでに米国に輸入され、またエンジン取り付け部分の改修も行われ、装着する作業が完了している。なお、AJ26はエアロジェット・ロケットダイン社による改修を経由して供給されていたが、RD-181はオービタルATK社が、製造しているNPOエネルガマーシュから直接輸入する形となる。

今後、2016年の初頭ごろにRD-181を装着したアンタリーズの地上燃焼試験が行われる予定で、同年3月ごろにも実際に打ち上げられることになっている。また失敗によって損傷した発射施設の修復も進められ、すでに完了している。

また、第1段を拡張し、RD-181のもつ性能をフルに発揮できるようにした「アンタリーズ300」シリーズの開発も進められているが、登場は当面先のこととになる予定である。

○改良型アンタリーズ登場まではアトラスVがつなぎに

ところで、アンタリーズが飛行停止している間も、国際宇宙ステーション(ISS)への物資の補給は行わなければならない。そこでオービタルATK社は、米国の基幹ロケットとして活躍中の「アトラスV」に、シグナス補給船の打ち上げを委託することにした。現在のところ、この打ち上げは今年12月3日に予定されている。

さらに搭載されるシグナスもこれまでと違い、「改良型シグナス」(enhanced Cygnus)となる。補給物資を搭載する部分の全長が延び、物資の搭載量が従来の2トンから、最大3.5トンにまで増え、それに伴い大型の太陽電池が搭載されるなどの改良も施され、より多くの物資をISSに届けることができるようになっている。

アトラスVは従来型アンタリーズよりも打ち上げ能力が大きいため、この改良型シグナスの最大能力である、3.5トンいっぱいの補給物資を運ぶことができる。またアンタリーズも改良型によって同等の打ち上げ能力になるため、今後はこの改良型シグナスが主流となる。

オービタルATK社はまた、今年8月にアトラスVによるシグナスの補給船をもう1回分発注し、2016年中に打ち上げることを計画している。これにより、仮に改良型アンタリーズの開発が遅れたり、あるいは打ち上げに失敗したとしても、シグナス自体は飛び続けることができるようになる。

○宇宙開発の商業化の先駆、立て直せるか

米国の宇宙産業を振興させるために始まった、民間企業にISSへの物資補給を任せるCOTS計画は、2014年10月のアンタリーズの失敗、そして今年6月のファルコン9の失敗により、大きなつまずきを経験することになった。

もちろん、こうした失敗が起こることを前提に計画は立てられており、実際にISSから食料や酸素がなくなるといった事態にはならなかったものの、一方で「本当に民間に任せて大丈夫なのか」という声が少なからず上がり、事実アンタリーズは1年以上の飛行停止となり、ファルコン9も失敗からすでに半年が経過しようとしているなど、COTS計画は大きな打撃を受けている。

しかし、アンタリーズはエンジンを改良して再起を図りつつあり、またファルコン9も大幅な改良が加えられた新型機が登場しようとしている(詳細はいずれまた解説したい)など、両社の歩みは止まることを知らない。この機敏さは民間企業ならではであり、また1度や2度の失敗では倒れない強靭さは、米国において民間主導の宇宙開発が着実に根付きつつあることを示している。無事にこの失敗から立ち直ることができれば、その経験はさらに両社を強くするだろう。

もちろんこの先、彼ら以外の宇宙を目指す会社が、あるいは両社が再び、今回のような悲劇を経験することは起こりうる。けれども、そうした苦難を乗り越えた先にこそ、人類の本格的な宇宙進出が待っているのである。

参考

antares/docs/FS007_06_OA_3695%20Antares.pdf



(鳥嶋真也)