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SpaceXがたったひとつのボルトでロケットごと宇宙輸送船を吹っ飛ばした理由

crs-7

2015年6月、SpaceXがドラゴン輸送船の打ち上げ(CRS-7)中に第2段の爆発が起き、国際宇宙ステーションへの積荷ごとドラゴンが失われたという事故があった。それから2年9ヵ月、2018年の3月になって、NASAの独立調査チームによる報告書が発表になり、SpaceXが当初発表した第2段圧力容器周りの材料欠陥ではなく、「設計ミス」の可能性が大きいとしている。

NASA Independent Review Team
SpaceX CRS-7 Accident Investigation Report Public Summary
Date of Event: June 28th, 2015
Date of Report: March 12th , 2018
CRS-7事故の引き金になったのは、Falcon9ロケット第2段のLOx(液体酸素)タンクの圧力容器コンポーネント部分。コンポーネント内のヘリウムボトルを支える「アイボルト」「ロッドエンド」※(先端に太いリングが付いたボルト)の破損による。

※「『アイボルト』は他のボルトを指すため、正しくは『ロッドエンド(ロットエンド)』または『ボールロットエンド』の呼称が適切とのご指摘をいただき、修正いたしました。

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このロッドエンド破損から圧力容器コンポーネント全体に破損が起きて、ロケット第2段の爆発事故につながった。SpaceXの調査チームは当初このロッドエンド破損を「材料欠陥によるもの」としており、NASAの打ち上げ計画(Launch Services Program)チームもこの報告を支持していたという。

今回発表になったのは、LSPとは別のNASA独立調査チームによる報告だ。報告書によると、SpaceXはロッドエンドの素材として17-4PHという析出硬化型ステンレス鋼の素材を選択していた。参照した資料によると17-4PHも「航空機・ロケットなどの構造材」として用途があるため、まるっきり用途違いの素材を持ってきたというわけではないようだ。ただ、SpaceXは一定の安全係数をかけて部品を製造、実装するにとどまり、負荷試験などを行っていなかったという。

メーカーには航空宇宙グレードの推奨素材もあったそうだが、SpaceXはこれを選択しなかった。結果として17-4PH SS製のロッドエンドは極低温条件と飛行環境に耐えられずに破損、事故につながった、というのが事故の大きな原因として挙げられている。

オフザシェルフによるコストダウンの努力が結果としてめっちゃ高くついたという感じだ。それだけでなく、当時SpaceXはFalcon9のフライトコンピューターの実装方式を変更していて、飛行テレメトリ周りでレイテンシが増えるものになっていた。結果としてデータがまだバッファに溜まっているときに事故が起きてしまい、異常を示すデータもだいぶ失われてしまったという。個人的にはこうした「事故の原因になったわけじゃないけどそれやっちゃダメなやつ」の存在はとても気になる。そうした経緯があったからか、NASAは2年以上かけて事故のデータを保存し、今回の報告書を発表したという。

報告書に関するQuartzの報道によると、事故当時と同型のFalcon9はもう製造されておらず、その後は31回の打ち上げに成功している(2016年9月の打ち上げ失敗をのぞく)。そのため、本当の原因に対処できないままFalcon9を打ち上げてしまった、というわけではないようだが、2016年のNASAの文書でも「部品の取り付け方法に何か問題があったのでは?」という疑問を呈しており、SpaceXに対してハードウェア・サプライチェーンの管理を確実かつ安全性の高いものにしてほしい、という要望を持っていたようだ。

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“自爆装置”導入で加速するSpaceXのビジネス

12月末のニュースで、Florida Todayが「ケープ・カナベラルから極軌道の打ち上げが可能になるかも?」と伝えている。50年以上、極軌道(ざっくり南北方向)に人工衛星を打ち上げることができなかったフロリダでそれが可能になるというのも大ニュースだけれど、さらにSpaceXが“Falconシリーズのロケットに“自爆装置”をいち早く取り入れたおかげで、フロリダでの打ち上げ獲得レースの先頭を走っているという論考があった。大事なことがたくさん書いてあるので紹介したい。

 

そもそも、フロリダで南への打ち上げができなくなったのは、1960年に米海軍がソー・ロケットの一部をキューバに落っことしての牛に損害が出たからだそう※。そこで現在、極軌道打ち上げを担っているのはカリフォルニア州のヴァンデンバーグ空軍基地となっているけれど、こちらは設備面や自然災害のためにあまり頻繁に打ち上げができない。2016年には、商用では世界最高の解像度を誇るDigital Globeの地球観測衛星WorldView-4が山火事のためVAFBからの打ち上げが遅れた、ということもあった。
※この件は「本当なの?」と深掘りするとややこしくも面白い話が出てくるよう。宿題にしよう。

そこで設備の整ったフロリダも使いたい、というのが空軍の意向だけれど、その通りに極軌道打ち上げを再開するにはロケット側も対応が必要になる。具体的には、レーダーでロケットを監視し、コースを逸れるなど飛行に異常があったときには指令破壊のコマンドを出す「レンジセーフティーオフィサー」にだけに頼らない飛行安全装置が必要になる。

2017年の2月、CRS-10の打ち上げのときからSpaceXは自律飛行安全装置(AFSS)という新型システムをFalcon 9に導入している。GPSベースで位置情報を測っていて、ロケットが予定のコースを外れ、人の居住地域に近づくと機体を破壊するというもの。つまり、指令破壊ではなくて文字通りの自爆装置だ。

他のロケット企業、ULAやBlue Origin、Orbital ATKもAFSSを導入予定だけれど、予定では2020年ごろになるという。SpaceXは時間的に先行しているので、この間にフロリダからの極軌道打ち上げを獲得できる。

SpaceXのAFSS導入にはビジネス面でもメリットがある。まずは安全性の向上。射場安全管理官がレーダー画像を見て指令破壊を判断するより、ロケット自身がコース異常を検知した途端に自身を破壊するほうが早い。しかも、空軍のレーダー使用とスタッフへ支払う費用を削減できる。現在、1回の打ち上げに関わる空軍のスタッフは160人もいるので、これを削減すればかなり打ち上げコスト削減につながる。

さらに重要なのが、Falcon Heavyの打ち上げコストもこれで削減できること。FHは3基のブースターを束ねた形状なので、再使用のため各ブースターの帰還にあたってそれぞれ安全管理が必要になる。これをレーダー+人間で安全管理するとコストは3倍になってしまう。Falcon Heavyの各ブースターにAFSSを組み込んでおけば、帰路の安全は自動装置が担当してくれる。コストを削減できてFalcon Heavyも頻回な打ち上げが可能になる。

このAFSSという装置は、NASA/ゴダードと空軍がずっと開発していたものだそう。資料を見ると2008~2009年頃にワロップスでテストしていたらしい。10年足らずで実装したSpaceXもすごい。

ファルコン・ロケットを再利用するとスペースXはどのくらい「お得」?

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アメリカで超小型衛星向けの小型ロケットを開発するVector Space Systemsのジム・カントレルCEOが、SpaceXのFalcon9ロケット第1段の再利用について、経済性の観点からQuoraに回答を寄せていました。面白いのでざっと訳してみます(やや生硬な部分はご容赦ください)

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How much does SpaceX save by reusing a Falcon rocket?

再利用可能なロケットを開発するための研究開発費を賄う、としよう。ロケット第1段を帰還させるには、機会費用(ここでは、帰還時に必要な燃料と、もっと多くのペイロードを軌道に乗せることができたはず、という収益機会の喪失という意味)と、フライトとフライトの間に必要な改修費用がかかる。一般的に業界の経験からすると、すべての費用を考慮して収益が得られるとするまでに、再使用ロケットまたはブースターを5~10回は打ち上げなければならないとされている。

このテーマについては多くの論文が書かれており、これはかなり確かな「経験則」だといえる。だが、これは「中古」の第1段で飛んでいる多くの顧客が要求するであろう値下げを考えると割に合わない。

私はSpaceXのFalcon 9の第1段は3回くらいまでしか打ち上げに再利用されないと考えている。したがって、SpaceXはこの算盤勘定で考えると再使用ロケットで収支が合うとはとてもいえないのだ。

それなら、なぜSpaceXは再利用ロケットを着陸させようとしているのだろう? これには2つ理由が考えられる。

まず、これは明らかに火星への着陸技術だということだ。これがSpaceXの目標の1つだとすると、(私はそもそもSpaceXという企業を興した主たる目的が火星行きだと思っている)、着陸システムの開発コストは再利用性とは関係のない他のさまざまな費用として計上されることになる。

次に、再利用性はフライト料金の大幅な増大を可能にする。おそらく主目的はこちらだろう。SpaceXの財務モデルを解析してみると、良好で強いプラスのキャッシュフローに達するためには、このクラスのロケットがこれまで実証してきた年間10~12回よりも多くの打ち上げが必要になることがわかる。単なる生産と物流の観点からすれば、再利用性によって打ち上げ可能回数を簡単に倍増させる。

再利用性を実現することで、年間20~25回打ち上げを実行でき、スペースXはより確実なキャッシュフローポジションに入ることができる。これが非常に重要な再利用ロケット開発の推進力であると私は考えている。主として生産、輸送、および付随するインフラストラクチャの面からすると、第1段は打ち上げ回数を増加させる際にはボトルネックの1つになると考えられている。 再利用性によって素晴らしいブランドイメージを形成できるということもある。だがもっと重要なのは、再利用技術で火星着陸の準備をしつつも、スペースXが打ち上げ回数を倍にしてより多くの金を稼ぐことができる、ということだ。

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第1段は生産のボトルネックだから2~3回再利用できればそろばんが合うというわけですね。となると、再利用した機体で打ち上げ失敗があると一気にキャッシュフロー健全化が遠のきそうな気はします。オペレーション、どうなっているんだろうと思いますね。