スペースX CRS-1

SpaceX CRS-1ミッション

スペースX CRS-1は、アメリカの民間宇宙企業スペースXが開発した無人宇宙補給機ドラゴンを用いた、通算3度目の宇宙飛行ミッションです。このミッションは「SpX-1」とも呼ばれ、特にスペースXとNASA（アメリカ航空宇宙局）との間で締結された商業補給サービス（CRS）契約に基づく、国際宇宙ステーション（ISS）への初の定常的な物資輸送運用として、その後の商業宇宙輸送の礎を築いた重要な一歩となりました。使用されたファルコン9ロケットにとっては4回目の打ち上げとなりました。

ミッションの準備と打ち上げ

ミッションの準備は、2012年5月にCRS-1に使用されるファルコン9ロケットがフロリダ州のケープカナベラル空軍基地に搬入されたことから始まりました。続いて、8月14日にはペイロードであるCRS-1ドラゴン宇宙船も同基地に到着しました。打ち上げに先立ち、ロケットは8月31日に燃料充填リハーサル（ウェット・ドレス・リハーサル）を、9月29日には第1段エンジンの短時間燃焼試験（静的燃焼試験）を、いずれもドラゴンを搭載しない状態で行いました。一連の試験を成功裏に終え、ミッション計画は10月5日に打ち上げ準備評価を通過しました。

実際の打ち上げは、東部夏時間（EDT）の2012年10月7日20時34分、協定世界時（UTC）では10月8日0時34分に行われました。ファルコン9は夜空を切り裂いて順調に上昇しましたが、打ち上げから約80秒後、9基ある第1段エンジンのうちの1基で突然の圧力低下が発生し、自動的に停止しました。夜間打ち上げの遠望映像には、エンジントラブルに伴うと思われる破片が確認されました。しかし、残りの8基のエンジンは計画より長く燃焼を続け、飛行制御ソフトウェアが軌道を再計算し、ドラゴン宇宙船を正確な低軌道、ISSとの会合が可能な軌道近くに投入することに成功しました。打ち上げ自体は成功裏に完了し、ドラゴンは初期軌道に投入されました。その後、太陽電池パドルを展開し、ISSとのランデブーに必要なセンサーなどを格納する誘導航法制御ベイのドアを開放しました。

ISSとのランデブーと係留

初期軌道投入後、ドラゴンはISSを追跡しながら接近を開始しました。ISSとの超高周波（UHF）通信は、COTS超高周波通信装置（CUCU）を使用して確立され、ISSに滞在するクルーはクルー指令パネル（CCP）を用いて、ドラゴンの接近状況を監視しました。クルーがドラゴンに直接指令を送る能力は、ランデブーおよびその後の離脱プロセスにおいて非常に重要でした。

最終的なISSへの接近段階では、地上のミッションコントロールチームが慎重な判断を下しながら進められました。ヒューストンのNASA管制センターと、カリフォルニア州ホーソーンのスペースX管制チームが連携を取り、ドラゴンをISSから250mの距離まで誘導しました。この距離で、ドラゴンは内蔵の近距離誘導システムを作動させました。このシステムはLIDARや熱画像装置などから構成され、ドラゴンの位置と速度を正確に計測し、確認しました。地上チームは、ISS飛行制御室の支援を受けながら、ドラゴンをステーションへさらに接近させる指示を出しました。追加の判断を経て、ドラゴンはISSの進入禁止領域（Keep-Out Sphere）への進入が許可され、自動的に30m地点まで進みました。さらに10mの捕捉地点へと移動し、最終的なゴーサインが出た後、ヒューストン管制センターはISSのクルーにドラゴンを捕捉する準備が整ったことを伝えました。

第33次長期滞在クルーの一員であったJAXA（宇宙航空研究開発機構）の星出彰彦宇宙飛行士は、ISSのロボットアーム「カナダアーム2」（全長17.6m）を操作し、協定世界時10時56分にドラゴン宇宙船を見事に捕捉しました。その後、星出宇宙飛行士は第33期長期滞在コマンダーであるNASAのスニータ・ウィリアムズ宇宙飛行士の協力を得ながら、ドラゴンをISSのハーモニーモジュールの地球側に移動させました。ウィリアムズ宇宙飛行士と星出宇宙飛行士は持ち場を交代し、最終的にウィリアムズ宇宙飛行士が13時3分に、ドラゴンをハーモニーモジュールの共通結合機構に係留しました。当初10月11日に予定されていたハーモニーとドラゴンの間のハッチ開放は繰り上げられ、17時40分に行われました。

ISS滞在と地球への帰還

ドラゴンがISSに係留されている約2週間半の間、ISSのクルーはドラゴンに搭載されてきた物資をステーション内に運び込み、同時に地球へ持ち帰る実験サンプルや使用済みの機器などをドラゴンに積み込みました。ISSでの役割を終えたCRS-1は、新しくISSに到着した第33次長期滞在フライトエンジニア、ケビン・A・フォード宇宙飛行士がカナダアーム2を操作してハーモニーモジュールから係留を解除し、15mの開放位置まで移動させた後にISSから解放されました。ドラゴンはその後、軌道制御スラスタを噴射してISSから安全に離脱しました。ISSを出てからおよそ6時間後、ドラゴンは大気圏再突入のための軌道離脱噴射を約10分間行いました。この際、太陽電池パドルなどが取り付けられている後部のトランク部分は分離され、大気圏に再突入し焼却されました。

大気圏再突入と回収

ドラゴンのカプセル部は、内蔵のドラコスラスタを用いた自動飛行制御によって大気圏再突入の軌道を維持しました。高度約13,700mで、速度を落とすために2枚の減速用パラシュートを展開しました。この減速用パラシュートの展開に続いて、高度約3,000mで直径35mのメインパラシュート3枚が展開されました。減速用パラシュートは分離され、メインパラシュートによってカプセルの降下速度は秒速4.8〜5.4mまで減速されました。ドラゴンは3枚のメインパラシュートのうち1枚が機能しなくても、残りの2枚で安全に着水できるように設計されていました。予測された着水地点は、南カリフォルニア沖の太平洋上約450kmの地点でした。

スペースXはカプセル回収のために、クレーンを備えた約30mの回収船1隻、テレメトリ運用用の約27mの乗員船1隻、そして約7mの高速なゴムボート2隻からなる回収チームを出動させました。これらの船には、十数名のエンジニアや技術者に加えて、4名の潜水チームも乗船していました。ドラゴンカプセルが予定通り太平洋に着水すると、回収チームが迅速に現場に駆けつけ、カプセルを回収船の甲板に引き上げて陸地へ輸送しました。技術者はカプセルのサイドハッチを速やかに開け、特に時間的な制約のある、優先的に回収する必要のある貨物を取り出しました。これらの貨物は高速ボートに移され、急ぎカリフォルニアに輸送されました。その後、NASAに引き渡され、重要な科学実験サンプルなどの解析が地上で行われました。それ以外の残りの貨物は、ドラゴンカプセルがテキサス州マグレガーにあるスペースXの試験施設に運ばれてから慎重に荷下ろしされました。

搭載貨物

CRS-1ミッションにおいて、打ち上げ時のドラゴン全体の質量は905kgでした。このうち、輸送機自体の重量を除いた貨物質量は約400kgで、内訳はクルー補給品118kg、科学実験支援物資177kg（166件の既存実験と66件の新規実験向け）、ステーション用機材設備102kg、その他3.2kgでした。

地球への帰還時、ドラゴン全体の質量は再び905kgでした。このうち、輸送機自身の重量を除いた貨物質量は約759kgで、内訳はクルー用品74kg、化学実験品および実験ハードウェア393kg、ステーション用機材設備235kg、宇宙遊泳用品33kg、その他約25kgでした。

主要なNASA契約による貨物とは別に、CRS-1ミッションでは副次的な貨物として、ファルコン9ロケットの第2段に搭載された約150kgのオーブコム（Orbcomm）社製第2世代衛星試作機を軌道投入する計画がありました。しかし、前述の通りファルコン9の第1段エンジンが1基停止した影響により、副貨物はこのエンジントラブルの影響を直接受けることになりました。

NASAとの主要契約では、主要貨物であるドラゴンをISS軌道に投入する成功確率が99%より大きいことが求められていました。副貨物であるオーブコム衛星は、ISSと類似した軌道傾斜角で、ISSよりも高い軌道高度への投入を目指していました。第1段エンジンの故障により、ファルコン9は残りのエンジンで計画よりも多くの燃料を消費しました。これにより、主要ミッション成功の推定確率は95%に低下しましたが、それでもNASAの要求水準を満たしました。しかし、この燃料消費増により、第2段エンジンはオーブコム衛星を目標軌道に投入するための2回目の燃焼を行うのに十分な燃料が残りませんでした。結果として、オーブコム衛星はドラゴンの投入された軌道（ISSより低い軌道）に残され、意図した運用に使用できない軌道となり、打ち上げから4日後に地球の大気圏に再突入して燃え尽きてしまいました。スペースXとオーブコム社は、ミッション前に副貨物衛星が低い軌道に残される高いリスクを認識しており、これは副貨物の打ち上げ費用を劇的に低く抑えることと引き換えにオーブコム社が同意したリスクでした。

ファルコン9のエンジン異常に関する詳細

打ち上げ中に発生したファルコン9第1段の9基のエンジンのうち1基の停止は、スペースXがファルコン9の設計思想として掲げていた「エンジン燃焼停止能力」（out-out capability）が予期せず実証される形となりました。スペースXは以前から、第1段は複数のエンジンが停止してもミッションを継続できる設計であると強調していました。

CRS-1ミッションでは、問題が発生した1番エンジンは飛行中に停止されました。これにより、機体を予定軌道に投入するため、残りの8基のエンジンは計画よりもやや推力を下げて、より長く燃焼を続けました。スペースXは、この出来事を「予期せぬ急速な分解」と表現しつつも、結果的に初めて飛行中に「エンジン燃焼停止」設計を証明し、「燃焼停止能力の明確な実証」を提供したと述べました。

この異常を受けて、NASAとスペースXは共同で飛行後調査委員会を設置しました。予備的な調査結果では、1番エンジンのノズル上部にある燃料ドームが爆発には至らなかったものの、破裂したことが示唆されました。飛行ビデオ記録に見られた破片は、エンジン停止前に終了した燃料の燃焼によって生じた可能性があり、フェアリングの損傷の原因となりました。その後の調査は、議会公聴会で示された情報によると、おそらくエンジン製造時に発生したエンジン機関被覆における検出されなかった素材の欠陥が問題の根本原因であると特定されました。飛行中のデータは、この素材の欠陥が最終的に主燃焼室に亀裂を引き起こしたことを示唆していました。この亀裂から高温のガスと燃料が主燃料経路の方向に噴出し、これが二次的な漏洩を引き起こし、エンジン圧力が急激に低下しました。この圧力低下を検知した飛行コンピューターが自動的に1番エンジンを停止させ、ファルコン9は残りのエンジンでISSとのランデブーに向けたドラゴン投入の軌道に乗るための飛行を継続しました。

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