お家芸2018年02月06日 00:07

お家芸
お家芸


(SpaceX、Falcon Heavy初打ち上げでブースター3基すべて回収に挑戦。日本時間2月7日午前3時半予定)
http://japanese.engadget.com/2018/02/05/spacex-falcon-heavy-3-2-7-3/

「ロケット打ち上げの際の、1段目ブースターの回収がもはやお家芸となっているSpaceX」

ははあ、言われてみれば、そうかもな。

今後、他社も追従すると言われているので、そんな風に考えたことはなかったが、回収再使用されたブルーオリジンのニューシェパードは、単段式ロケットだから、ブースターではないからな。

この記事では、打ち上げもさることながら、ブースターの回収に注目している。

「今回の3基同時回収ではこれまでになかったチャレンジもあります。」

「期待したタイミングで、期待した方向にブースターを分離できなければ、ロケットの打ち上げ軌道がずれる可能性があります。」

「分離したブースターの制御に失敗すれば、ロケットとの衝突といった事態になるかもしれません。」

記事では、初代テスラロードスターがペイロードになっていると書かれているが、たぶん間違いだろう(未確認)。

「それでなくとも、ブースター回収を失敗する確率は3基同時ならば単純に3倍になります。」

まあ、理屈の上ではそうなんだろうが、実際は空力が絡んで、分離の段階でコケる可能性の方が高そうだ。

詳細は分からないんだが、両サイドのブースターのノーズコーンの行方も気になる。

(Falcon Heavy | Flight Animation:動画出ます。)
https://www.youtube.com/watch?v=4Ca6x4QbpoM

この動画では、ノーズコーン付きで回収しているが、センターコアを陸上に戻すなど、今回の打ち上げとは異なるシーケンスになっていることから、あまり参考にならない感じだ。

従来は、もちろん、ノーズコーンなしでの回収だからな。

その点も、もし、分離しないのならチャレンジになる(グリッドフィンなどがノーズコーン側についているので、多分分離はしない:追加)。

もう一つ気になっているのは、センターコアとサイドブースターを締結している部分がどうなるのかという点だ。

デルタ4ヘビーのように、全部捨てちまうなら、ブースター側にくっ付けて投棄してもいいんだろうが、回収するとなると、そういうわけにはいかない。

さりとて、コアステージに付けたまま(!)にするわけにもいかないからな。

分離の方法やタイミングについては、ノウハウが必要なところだ。

スペースシャトルは、どうしてたんだっけ?。

(スペースシャトル固体燃料補助ロケット:分離)
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B9%E3%83%9A%E3%83%BC%E3%82%B9%E3%82%B7%E3%83%A3%E3%83%88%E3%83%AB%E5%9B%BA%E4%BD%93%E7%87%83%E6%96%99%E8%A3%9C%E5%8A%A9%E3%83%AD%E3%82%B1%E3%83%83%E3%83%88#%E5%88%86%E9%9B%A2

「SRBと外部燃料タンク(ET)の前方部の接続部分は、ボール型(SRB側)とソケット型(ET側)になっていて、1本のボルトで結合されている。」

「ボルトの両端には、NASA標準雷管(NSD)が装備されている。」

「後部接続部分は、上部・対角部・下部の3本の分離支柱によって構成されており、それぞれの支柱も両端にNSDを装備している。」

「上部支柱の内部には、SRBとET、軌道船を結ぶケーブルが通っている。」

「SRBの上端と下端には、機体をETから引き離すための分離用小型ロケットモーターが内蔵されている。」

「分離モーター点火の司令は軌道船から発せられ、余ったNSDに点火し配管を切断して、機体をETから速やかに分離させる。」

まあ、読んでも良く分からないが、凝った仕掛けになっている。

ポイントは、結合ボルトの両端に火工品が使われているということだな。

SRBを上手く引きはがすために、分離モーター(固体燃料ロケット)が、上下に配置されている。

外部燃料タンクとかにぶち当たらずに、確実に引きはがすことが出来る。

軌道船側と反対側に引きはがさないと、ヤバいからな・・・。

(STS-117 Nasa Space Shuttle SRB Separation:無音の動画出ます。)
https://www.youtube.com/watch?v=AyBfnzX3Q6g

百聞は一見に如かずだな。

結合部の詳細図面とかは、探したけど、いい図を見つけられなかった。

画像はこのページから。

(The Space Shuttle Collection Michoud Assembly Facility:The External Tank Operations)
http://www.mach25media.com/shuttle10.html

スペースシャトルが、如何に複雑な仕掛けで飛んでいたかを思い知る。

基本となるアーキテクチャーを実現するために、様々な仕掛けを駆使して、色々な制約を乗り越えて実現した。

その余りの複雑さが、本来、再使用によって生み出される低コストという利益を阻害し、2度に渡る事故の遠因になった。

人間を宇宙に送り出すということが、どれだけ大変なことなのか、そのためにどれ程のコストを掛けなければならないか。

スペースXが、コストを掛けていないとは言わない。

ファルコン9だって、ブロック1から比べたら、別のロケットといっていい。

しかし、1段目の回収、再使用というのは、新たなアーキテクチャーだ。

枯れた技術を組合わせて、必要とされる能力を得て、その統合・制御については、コンピューターのプログラムを、ちょちょちょいと書き換えて済ませようとする(そうなのかあ?)。

ファルコンヘビーは、そうはいかなかったに違いない。

物理の神様は公平だ。

スペースシャトルが開発された1970年代も、ファルコンヘビーが開発された2010年代も、物理の法則は同じだ。

サイドブースターの分離一つとっても、スペースシャトルのアナログな構造とその制御は、きっちり仕事をした。

自然の法則に従って設計し、製造し、その範囲内で使い、必要なメンテナンスを怠らなければ、機械は嘘をつかない。

物理の神様にケンカを吹っ掛け、人間の浅はかな都合で運用を捻じ曲げ、行うべきメンテナンスをしなければ、手痛いしっぺ返しを食らうことになる。

打上げ(27基のエンジンの本番での点火と離床)、初期の飛行段階(振動、空力)、マックスQ(最大動圧)、サイドブースターの分離(初挑戦)、その2機同時の着陸(初挑戦)、センターコアでの飛行、そのドローン船への回収、更には2段目の飛行やフェアリングの分離、ちょっと気になるペイロードアダプターとテスラロードスターとの分離。

見どころ満載の打ち上げだな。

「Falcon Heavyの打ち上げはそのひとつの集大成であり、SpaceXの新章を開くイベントと言って良さそうです。」

違いない。

しかし、それは成功したらの話に過ぎない。

上手く離床して、発射台をぶっ壊さない高度まで上がれば成功という人もいる。

後は、野となれ山となれ。

一か八かの大勝負ということになる。

使い捨てということなら、確かにデルタ4ヘビーのほうが、形は似ているし、近い運用に思えるが、再使用ということを考えると、スペースシャトルの方が近いかもしれない。

回収するためには、それを見越した設計と運用が必要になるからな。

エンガジェットは、いいところに目を付けたな。

神は細部に宿る。

分離ボルトの不具合一つで、天国と地獄が分かれるわけだ。

浮沈子は、もちろん、期待も込めて成功する方に一票を投じたい。

ドカンといけばいいなどとは、露ほども考えていない(ホントかあ?)。

まあいい。

未だに経験がないロケットだからな。

要素技術だけでは、宇宙には上がれない。

インテグレーションの難しさを、改めて感じる・・・。

打ち上げ迫る2018年02月06日 10:10

打ち上げ迫る
打ち上げ迫る


海外の打ち上げ会社の私的打ち上げにも拘らず、注目を集めるファルコンヘビー。

そりゃあそうだろう。

スペースシャトルの引退以降、鳴かず飛ばずの米国ロケット業界(そうかあ?)にとっては、数年ぶりの巨大ロケットの登場だからな。

予定通りなら、明日の今ごろには成功か失敗か、それ以外かが分かる。

それ以外って、えーと、点火しなかったとか・・・。

<点火→離床>

スタティックファイアテストはクリアしているので、多分それはないだろうが。

最悪の失敗は、離床できずに発射台で大爆発して、39Aもろとも吹っ飛ぶことだろうな。

NASAも、それを懸念しているに違いない。

歴史的な発射台を、スペースXなんかに貸すんじゃなかった・・・。

まあ、成功すれば万々歳だがな。

イーロンマスクは、発射台を壊さずに打ち上げられれば成功だと言ってたからな。

じゃあ、その成功は、どこまでいく話なのか。

<離床→MaxQ>

初期上昇段階で、空力や振動、構造的な強度不足によって、マックスQに至らずに空中分解するということが考えられる。

サイドブースターが外れたりして、自爆処理されるかもしれない。

発射台壊さなくったって、これを成功とは言い難いだろう。

最大動圧まで持てば、まあ、成功といってもいい。

少なくとも、打ち上げは成功だ。

ロケットは、その先は力学的な負担は減るからな。

<MaxQ→サイドブースター分離>

しかし、ファルコン9の唯一の飛行中の失敗は、その後で起こったからな。

(SpaceX CRS-7)
https://en.wikipedia.org/wiki/SpaceX_CRS-7

139秒後だから、最大動圧の後になる。

1段目は燃焼中だ。

原因は、ヘリウムタンクの支えが壊れたことになっているらしいが、本当のところは分からないだろう。

打上の中継を見ていると、いつもマックスQで拍手が起こる。

ロケットの打ち上げにとって、一里塚であることは確かだが、それにどれ程の意味があるかは分からない。

さて、その後の問題は、やはり、サイドブースターの燃焼終了後、いよいよ分離する際に訪れるだろう。

<サイドブースター分離→2段目分離>

どっちに、どんなタイミングで分離し、その後、コアステージに影響を与えずに、離脱することが出来るのかどうか。

サイドブースターに、スペースシャトルの固体燃料ブースターのような離脱用のロケット仕掛けがあるという話は聞かない。

爆発ボルトが吹っ飛ぶタイミングと、ロケット自身の空力特性に任せて分離するのかもしれないし、浮沈子が知らない秘密の仕掛けがあるのかもしれない。

サイドブースターといっても、エンジンにはジンバル機構が付いているからな。

そもそも、ファルコン9の一段目の再使用だ。

他の使い捨てブースターに比べたら、贅沢な仕様になっている(たぶん)。

離脱する際に、それを使うことは出来る(方向転換する時の、窒素ガスの噴出しとか:追加)。

実際どういうシーケンスで分離するかは、よく分からない。

いずれにしても、サイドブースターが分離し、センターコアだけになることが出来れば、まあ、完全成功に大きく近づく。

ここから先は、ファルコン9と同じだからな。

しかし、1段目3機使って勢い付けたロケットの飛行というのも初めてのことになる。

離床後は、マックスQの動圧を抑制するために、センターコアの出力は絞られると思われる。

分離後に、最大出力に回復させるだろうが、それが上手くいくかは分からない。

出力が上がらなければ、失速して落下するだけだからな。

そこにも、失敗の原因は潜んでいる。

無事に、再度、出力上昇に成功したとしても、センターコア自体の問題は残る。

新品だからな。

飛んだことはないのだ。

エンジン構成とかは、ファルコン9と同じようだが、強度的には違う構造(補強?)を取っているはずで、ビミョーなバランスで成り立っているロケットとしては、敢えて言えば別物ということになる。

センターコアだけの飛翔試験とかは、やってないしな。

ぶっつけ本番ということになる。

燃焼終了、分離、2段目の燃焼開始までは、緊張が続くわけだ。

<2段目分離→ブースター着地>

そうこうするうちに、サイドブースターがランディングゾーン1に戻ってきて、2機同時に着陸する。

打上の最大の見せ場だ(そうなのかあ?)。

違うところに降りたり、2機同じところに降りようとしたり、トラブルのネタは尽きないが、まあ、そこは何とかするだろう。

センターコアがドローン船に降りるのだって、今回が初めてということになる。

いつもと違うバランスで、うまく着艦できるかどうかは見ものだ。

<フェアリング分離→ペイロード軌道投入>

ファルコン9でのフェアリングの分離については、トラブルの話は聞かない。

ズーマの時に、やや揉めて、それが原因で打ち上げが延期になったことになっているが、本当のところは分からない。

2段目の分離に成功し、フェアリングの投棄がつつがなく行われれば、もう、9合目まで来たことになる。

今回の打ち上げは、放物線軌道で行われるという。

(放物線軌道)
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%94%BE%E7%89%A9%E7%B7%9A%E8%BB%8C%E9%81%93

「ケプラー軌道の中で離心率がちょうど1に等しいような軌道のことである。」

ワケワカ・・・。

「rは中心天体からの距離」

「rの大きさは無限大へ向かう」

二度と地球に戻ることがない軌道ということは分かった。

実は、ファルコン9は、GTOまでしか運用されたことがない。

地球周回軌道を離脱するペイロードの打ち上げに使われるのは、今回が初めてということになる。

スペースXのことだから、軌道投入のタイミングを間違えることはないだろうが、少なくとも実績はゼロだ。

ズーマの時に問題になった、ペイロード分離機構の件もある。

通常のペイロードと異なり、バランスが良さそうには見えないからな。

重心位置とか、一応考えてはいるんだろうが、分離に成功するかどうかも、注目点だ。

分離機構は自前だろうから、なにかあっても人のせいには出来ない。

うちは悪くないとは言えないのだ。

分離は、スプリングとかで打ち出すだろうから、軌道的には2段目もそのまま人工惑星になるんだろう。

2段目の噴射が、何回、どのタイミングで行われるかも分からない。

と思ったら、プレスキットが上がっていた(初めから、見ろよ・・・)。

(Falcon Heavy Demonstration Mission)
http://www.spacex.com/sites/spacex/files/falconheavypresskit_v1.pdf

「Mission Timeline (all times approximate)
COUNTDOWN
Hour/Min/Sec Events
- 01:28:00 SpaceX Launch Director verifies go for propellant load
- 01:25:00 RP-1 (rocket grade kerosene) loading underway
- 00:45:00 LOX (liquid oxygen) loading underway
- 00:07:00 Falcon Heavy begins engine chill prior to launch
- 00:01:00 Flight computer commanded to begin final prelaunch checks
- 00:01:00 Propellant tank pressurization to flight pressure begins
- 00:00:45 SpaceX Launch Director verifies go for launch
- 00:00:05 Engine controller commands side booster engine ignition sequence to start
- 00:00:03 Engine controller commands center core engine ignition sequence to start
- 00:00:00 Falcon Heavy liftoff」

「LAUNCH, LANDINGS AND ORBITAL INSERTION
Hour/Min/Sec Events
00:01:06 Max Q (moment of peak mechanical stress on the rocket)
00:02:29 Booster engine cutoff (BECO)
00:02:33 Side cores separate from center core
00:02:50 Side cores begin boostback burn
00:03:04 Center core engine shutdown/main engine cutoff (MECO)
00:03:07 Center core and 2nd stage separate
00:03:15 2nd stage engine starts
00:03:24 Center core begins boostback burn
00:03:49 Fairing deployment
00:06:41 Side cores begin entry burn
00:06:47 Center core begins entry burn
00:07:58 Side core landings
00:08:19 Center core landing
00:08:31 2nd stage engine cutoff (SECO-1)
00:28:22 2nd stage engine restarts
00:28:52 2nd stage engine cutoff (SECO-2)
Mission continues on an experimental long coast and third stage two burn to target a precessing Earth-Mars elliptical orbit around the sun」

2段目だけ見てみる。

・00:03:15 2nd stage engine starts
・00:08:31 2nd stage engine cutoff (SECO-1)
・00:28:22 2nd stage engine restarts
・00:28:52 2nd stage engine cutoff (SECO-2)

5分以上の初めの燃焼の後、20分近いコースティングを挟んで、30秒間エンジンを吹かしている。

先日のSES-16(GovSat-1:GTO)と比べてみる。

(GovSat-1 Mission)
http://www.spacex.com/sites/spacex/files/govsat1presskit.pdf

「Mission Timeline (all times approximate)
COUNTDOWN
Hour/Min/Sec Events
- 01:13:00 SpaceX Launch Director verifies go for propellant load
- 01:10:00 RP-1 (rocket grade kerosene) loading underway
- 00:35:00 LOX (liquid oxygen) loading underway
- 00:07:00 Falcon 9 begins engine chill prior to launch
- 00:01:00 Flight computer commanded to begin final prelaunch checks
- 00:01:00 Propellant tank pressurization to flight pressure begins
- 00:00:45 SpaceX Launch Director verifies go for launch
- 00:00:03 Engine controller commands engine ignition sequence to start
00:00:00 Falcon 9 liftoff
LAUNCH AND SATELLITE DEPLOYMENT
Hour/Min/Sec Events
00:01:18 Max Q (moment of peak mechanical stress on the rocket)
00:02:38 1st stage engine shutdown/main engine cutoff (MECO)
00:02:40 1st and 2nd stages separate
00:02:41 Second stage engine starts
00:03:44 Fairing deploy
00:08:35 2nd stage engine cutoff (SECO-1)
00:26:40 2nd stage engine restarts
00:27:48 2nd stage engine cutoff (SECO-2)
00:32:19 GovSat-1 satellite deploy」

同じく、2段目だけ。

・00:02:41 Second stage engine starts
・00:08:35 2nd stage engine cutoff (SECO-1)
・00:26:40 2nd stage engine restarts
・00:27:48 2nd stage engine cutoff (SECO-2)

6分弱の燃焼の後、18分余りのコースティング、1分余りの2度目の燃焼・・・。

まあ、こっちは、衛星が4トンクラスだし、1段目は1本だからな。

明日の打ち上げの方が、2段目の負担は少ない。

2段目を分離して、無事に着火出来れば、いつものパターンに近いことは分かった。

しかし、今回はこれで終わりではない。

打ち上げシーケンスの最後に、こうある。

「Mission continues on an experimental long coast and third stage two burn to target a precessing Earth-Mars elliptical orbit around the sun」(ミッションは実験的な長いコースティングに続き、太陽を周回する(歳差運動する)地球 - 火星楕円軌道をに投入するため、第3段階の2度の噴射を行う)

浮沈子は、第3段目があるのかと勘違いしたが、そうではない。

6時間ものコースティングを経て、再着火(2回)するらしいのだ。

(First Falcon Heavy launch blends SpaceX style, raw power and the unknown:追加)
https://spaceflightnow.com/2018/02/05/first-falcon-heavy-launch-blends-spacex-style-raw-power-and-the-unknown/

「But the mission will not be over.」(しかし、使命は終わることはありません。:自動翻訳のまま:以下同じ)

「The rocket will keep flying, soaring through the Van Allen radiation belts before its engine reignites around six hours later for a departure maneuver into interplanetary space.」(ロケットは飛行を続け、ヴァン・アレンの放射帯を飛び越え、エンジンは惑星間宇宙への飛行を開始する約6時間後に再燃する。)

その間に、宇宙環境の中で、様々なストレスを受ける。

これも、初挑戦だな。

2段目の燃料や機器が、それに耐えられるかということもある。

そして、ようやく惑星間軌道に投入されるわけだ。

<まとめ>

こうして全体を振り返ってみると、やはり、1番の問題は1段目のサイドブースターの分離だな。

それさえクリアーできれば、テスラロードスターは、火星に向かって放物線軌道に乗れるだろう(たぶん)。

地球に戻ることはない。

デプロイされれば、世界中で歓声が湧くに違いないのだ・・・。

<追加>

(Falcon Heavy Animation:追加:動画出ます。)
https://www.youtube.com/watch?time_continue=11&v=Tk338VXcb24

これ見ても、あんま分かんないけどな。

分離後のスラスターは、向きを変える以外には使っていない(センターコアから離れる向きには噴射していない)。

センターコア上部の連結装置(?)は、真ん中を中心にして軸方向に回転して収納(?)されているように見える(そんなことできんのかあ?)。

下部の接続がどうなっているかは不明だ。

細部を突っ込めば、センターコアのグリッドフィンは、実際にはチタン製ではなく、旧式のアルミ合金製に白く塗装したやつだし(ミッションパッチも、下駄履かせてるしな)。

このアニメーションに、どこまでリアリティを期待していいかは謎だ・・・。