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Astra、Tropics-1 ミッション事故調査終了のお知らせ

Astra

Astra (アストラ) が2023年3月1日に、Tropics-1 ミッション事故調査終了したことをアナウンスしました。下記はミッションアシュアランス責任者 Andrew Griggs 氏、創業者兼最高技術責任者 Adam London 氏による報告です。

6ヶ月以上に及ぶ厳格なテストと分析の後、Astra は FAA から TROPICS-1 事故の調査を終了する正式な終了書を受け取りました。今回は、調査から得られた結論と教訓を共有したいと思います。

TROPICS-1ミッションは、2022年6月12日に Astra のロケット3.3号機 (シリアルナンバー：LV0010) で打ち上げられました。このロケットは、ノミナル1段目の飛行、段分離、上段点火を完了しました。上段エンジン点火直後、上段の燃料消費率が上昇し、その後の飛行中も異常な高水準が続きました。上段エンジン点火から約250秒後、液体酸素が約20％残っていた状態で燃料を使い切った。その結果、上段は必要な軌道速度の約80%しか得ることができなかった。その結果、上段は必要な軌道速度の約80%しか得られず、搭載物を軌道に乗せることができず、その後大気圏に再突入し、ミッションは終了となりました。

解析の結果、上段飛行中の異常な燃料消費は、上段飛行開始18秒後に発生した燃焼室壁面の焼損が原因であることが判明しました。飛行データは、この燃焼が燃料噴射装置の大幅な閉塞によって引き起こされたことを示していた。燃焼と再生冷却の仕組みは複雑で、この不具合は根本的な原因がすぐにわからないため、不具合モードを再現し、インジェクタの詰まりがどのように発生し、どのように燃焼に至ったかを理解するために、大規模な試験と分析が必要とされました。

再生冷却について

まず、再生冷却について簡単に説明します。液体ロケットのエンジンの多くは、非常に高温の燃焼ガスが燃焼室の壁を溶かしてエンジンが故障するのを防ぐために、冷却が必要です。ロケット3.3の上段エンジンは、これを実現するために再生冷却を採用しています。再生冷却型ロケットエンジンは、燃焼室の壁面に埋め込まれた多数の冷却孔に燃料を通すことで冷却を行う。これにより、壁面の熱が流れる燃料に吸収され、壁面が故障しない程度の低温に保たれるのです。

TROPICS-1 では、再生冷却システムの不具合により、燃焼室が焼損する事故が発生しました。

Lv10ブログイロス Rev02 08回生冷却ロケットエンジン燃焼室模式図

Lv10ブログイロス Rev02 08回生冷却ロケットエンジン燃焼室模式図

バーンスルーの原因は何だったのでしょうか？

Astra は、燃焼室が焼損した主な要因は、インジェクターの部分的な閉塞であると結論づけました。燃料噴射装置が部分的に閉塞すると、冷却流路を通過する燃料の割合が減少します。すると、燃料が吸収できる熱量が減少し、燃焼室の壁が高温になる。壁が十分に高温になると、壁の温度が燃料の局所的な沸点を超え、燃料の一部が流路の内側の壁に沿って沸騰することがあります。この状態は、少量の沸騰が実際に燃料の冷却能力を高め、壁の温度を下げるため、「自己回復」することもある。しかし、燃料の沸騰量が多すぎると、冷却能力が著しく低下し、壁面温度がどんどん上昇し、壁面が破損して「焼き切れ」、燃料の一部が直接燃焼室に流れ込み、実質的に燃料を無駄にしてしまうのです。TROPICS-1 の打ち上げでは、このような現象が発生しました。

Astra は、インジェクタの部分的な閉塞に加え、バーンスルーの二次的な要因として遮熱コーティングの侵食があることを突き止めました。上段エンジンの燃焼室の一部には、燃焼室の壁を断熱し、燃料が冷却材として吸収する熱を減らすための遮熱コーティングが内側に施されています。もし、遮熱コーティングがほんのわずかでも欠けてしまうと、その部分の壁がより高温になり、局所的なバーンスルーの可能性が高くなります。調査の結果、Astra は、LV0010上段エンジンに少量の遮熱コーティングの欠落があることを発見しました。このコーティングの欠落は、当時のエンジニアが許容できると考えた場所にありましたが、さらなる分析により、飛行条件下でのこの領域のコーティングの必要性を過小評価していたことがわかりました（地上と飛行の違いについては、次のセクションで詳しく説明します）。

インジェクター閉塞の原因は？

上段の飛行中にインジェクターが閉塞したことは、比較的容易に特定できましたが、その原因を特定するのには、かなり時間がかかりました。そこで、解析と試験を組み合わせて、詰まりの原因となりそうなものを系統的に調べました。その結果、3つの原因について調査することになりました。

・金属片などの異物 (FOD: Foreign Object Debris)
・気体ヘリウム
・気体燃料

飛行結果を確認し、不具合を再現するテストを行った結果、インジェクターの詰まりは気体が原因であると結論づけられました。このことから、金属粒子などの固形物の破片は除外されました。

次に、上段の空気圧・加圧システムに使用されているヘリウムが、理論上燃料ラインに漏れている可能性を検討しました。真空、振動、低温という飛行に近い条件下で、空気圧システムのヘリウム漏れのテストを矢継ぎ早に行いました。LV0010の上段のデータからも、飛行前や飛行中にヘリウムが漏れていることは確認できなかった。上段で唯一信頼できるヘリウムの発生源は加圧システムで、上段の飛行開始時に燃料タンクの上部にある小さな「アレージ」バブルで発見されました。分析の結果、このヘリウムがタンクの底に移動して、燃焼開始時にエンジンに取り込まれる可能性は極めて低いことがわかった。ヘリウムは燃料よりはるかに軽いため、エンジンが始動して加速し始めるとすぐにタンクの上部に移動する傾向があるのです。

そこで、ガス燃料が主な原因として考えられるようになったのです。地上での受け入れ試験中、上段エンジンの燃料は温かくなりますが、冷却水路内で沸騰したり、沸騰しそうになったりすることは、これまで一度も確認されていませんでした。しかし、地上での上段エンジンの排気ジェットは、周囲の大気の圧力によってエンジンノズル内部から「分離」されているため、燃料に伝わる熱量は少なくなっている。一方、飛行中のエンジンは真空に包まれており、排気噴流は膨張してノズル内部に “完全密着” する。そのため、飛行中のエンジン内を通過する燃料は、地上試験時よりも高温に加熱されます。

Lv10 Eng Flow Final 07（地上）分離型ロケットエンジン流と（真空）完全付着型ロケットエンジン流の比較

完全着火の効果を模擬するために、燃料をさまざまな温度に予熱した実験エンジン試験を数多く実施しました。これにより、エンジン内部の燃料の温度を従来よりも高い精度で予測する、より精巧な熱モデルを作成することができました。この解析により、飛行中、インジェクターでの燃料はその沸点に関して薄いマージンを持つことがわかりました。これは、上段エンジンが比較的低い圧力で作動する圧送式であること、試験や運用を容易にするために従来のロケット用ケロシン (RP-1など) よりも蒸気圧の高いケロシン状の燃料を選択したことなど、ロケット3の構造上の特徴に起因するものであった。

TROPICS-1 ミッションでは、このわずかな余裕のために、打ち上げ当日のケープカナベラルの天候が暖かく、燃料がこれまでの飛行よりもわずかに暖かかったことなど、小さな要因が燃料を沸騰体制に移行させることに貢献しました。この燃料の沸騰が、飛行中のインジェクタの部分的な閉塞を引き起こし、先に述べた遮熱コーティングの侵食と相まって、熱暴走を起こし、インジェクタの閉塞を悪化させ、最終的に燃焼に至ったと分析されています。

上段エンジンの試験で、高温の壁面を焼き切る際に発生した溶融金属の筋が見える

教訓

TROPICS-1 の事故のほぼ直後に、私たちは、Astra のリソースの大部分をAstraの次世代ロケットの開発に集中させるという戦略的決断を下しました。ロケット4号機の開発です。TROPICS-1 の調査は、この新しく、より大きく、より信頼性の高いロケットの設計と運用に役立つ情報を得るために、あらゆることに集中しました。そのため、ロケット4号機では、今回の事故の原因を完全に排除するような設計（特に、上段エンジンの設計と燃料の変更）がなされています。また、TROPICS-1 では発生しなかったが、ロケット3.3では発生する可能性があった FOD やヘリウムの混入など、他の多くの故障モードを排除するための制御を導入しています。例えば、推進剤タンクの泡立ちやエンジンへのヘリウムの取り込みを防ぐために、ヘリウムディフューザーの設計を改良しています。

技術的原因の調査と並行して、Astra は、第4世代ロケットの信頼性を高めるためのプロセス、システム、文化の改善に関する内部調査も実施しました。Astra は、2018年と2019年にロケット3を設計したときの会社から大きく前進しました。私たちのチームは現在、より大きく、より経験豊富で、品質管理と故障分析に多大な投資を行い、打ち上げの成功と失敗の両方から重要な教訓を学びました。しかし、私たちはさらに改善する余地があることを認識しており、ロケット4の信頼性を確保するために、全社的な取り組みを数多く実施しています。これらの改善には、設計審査プロセスの見直し、より強固な飛行試験と同様の認定プロセス、そしてアストラのコアバリューの刷新などが含まれます。私は、ロケット4を成功させるために、適切なチームとシステムが整っていると確信しています。

これは、Astra がこれまでに行った調査の中で最も複雑なものでした。私たちは、この災難の原因を厳密かつ徹底的に調査することに専念し、失敗を理解し結論を裏付けるために、信じられないほどの量の分析とテスト結果を出しました。インジェクタの詰まりとチャンバーの焼損という予備的な結論はすぐに出ましたが、この打ち上げ失敗から学べることはすべて学び、手を抜かないようにするために、さらに数カ月を費やしました。チームの努力に感謝するとともに、このプロセスを通して NASA と FAA のサポートとパートナーシップに感謝しています。私たちは、この教訓を生かして、ロケット4号機の初打ち上げに備えます。

この件に関して Astra のCEO、Chris Kemp 氏は次のように述べています。

TROPICS-1 フライトの上段誤射の原因究明に半年以上取り組んできた Astra は、FAA から正式なクロージングレターを受け取りました。FAA + NASAの皆様、今後ともよろしくお願いいたします。

Adam London さん、Andrew Griggs さん、そして Astra チームの皆さん、ありがとうございました。私たちは、ロケット4の最初の打ち上げで、私たちが学んだことを実行に移すことを楽しみにしています。

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