アレス9世

アレス9世
打ち上げ前のAres IX
アレスIXの打ち上げ
打ち上げ2009年10月28日 15:30  UTC ( 2009-10-28UTC15:30Z )
オペレーター米航空宇宙局（NASA）
パッドケネディLC-39B
結果成功
最高点約 28マイル（45 km）
打ち上げ期間6分
コンポーネント
第一段階第5セグメント質量シミュレータを備えた4セグメントSRB
第二段階上段シミュレータ（USS）
アレス9世の記章

アレスIXは、アメリカ航空宇宙局（NASA）が開発した有人宇宙飛行用打ち上げシステムであるアレスIの第一段試作機および設計概念実証機であった。アレスIXは2009年10月28日に打ち上げに成功した。 [ 1 ] [ 2 ]プロジェクト費用は4億4500万ドルであった。[ 3 ] 13年後に打ち上げられたアルテミスIまで、 LC-39Bによる最後の打ち上げとなった。

試験飛行に使用されたアレスIXは、形状、質量、サイズにおいて後のアレスIの計画構成と類似していたが、内部ハードウェアは大きく異なり、動力段は1段のみであった。アレスIは、オリオン有人探査機の打ち上げを目的としていた。アレスV打ち上げシステムとアルタイル月着陸船とともに、アレスIとオリオンは、スペースシャトル退役後の米国の有人宇宙飛行用宇宙船を開発していたNASAのコンステレーション計画の一部であった。

テストの目的

打ち上げから2分後、アレスIXの使用済みの固体ロケットブースター（SRB）第1段が、電源のない上段シミュレータ（USS）から切り離され、両方とも計画通り大西洋の異なる場所に着陸した。

アレスIXはアレスIのような打ち上げロケットの唯一の試験飛行であった。試験飛行の目的には以下が含まれていた。[ 4 ]

  • Ares I で使用されたものと同様の制御アルゴリズムを使用して、動的に類似した車両の制御をデモンストレーションします。
  • Ares I と同様の第 1 ステージと代表的な上段ステージ間の飛行中の分離/ステージング イベントを実行します。
  • ケネディ宇宙センター (KSC) でアレス I 型第一段の組み立てと回収を実演。
  • 第一段の分離シーケンスを実証し、第一段の大気圏突入ダイナミクスとパラシュートの性能を測定します。
  • 第一段階の飛行全体を通じての統合車両ロールトルクの大きさを特徴付けます。

この飛行には、次のようないくつかの副次的な目的もあった。[ 5 ]

  • 第 1 段ブースター減速モーターの有効性を定量化します。
  • 上昇中に車両に生じる環境と負荷の特性評価。
  • 飛行制御システムを方向付けるために車両の位置を決定する手順を示します。
  • 発射台上での飛行試験車両にかかる誘導荷重の特性を評価します。
  • VAB およびパッド上の Ares I の潜在的なアクセス場所を評価します。
  • 第一段階の電気アンビリカル パフォーマンスを評価します。

アレスIXの飛行プロファイルは、アレスIがマッハ4.5、高度約130,000フィート（40,000メートル）、最大動圧（「Max Q」）約800ポンド/平方フィート（38 kPa）で経験すると予想される飛行条件に非常に近似していました。[ 6 ]：3

アレスIXの飛行プロファイルは、サターン推進コンセプトをテストした1960年代の無人サターンI飛行に似ていた。 [ 6 ]：2

この試験飛行では、第一段分離を経て飛行させることで、アレスI固体ロケットブースターの「シングルスティック」配置の性能とダイナミクスも検証された。これは、スペースシャトルの外部燃料タンクと並んで搭載されていた固体ロケットブースターの当時の「ダブルブースター」構成とは異なる。[ 7 ]

説明

ケネディ宇宙センター第39発射施設での移動式発射プラットフォームに4本のボルトで固定されたアレスIXのロールアウト。

アレスIXは、機能的な4段構成の固体ロケットブースター（SRB）、第5段質量シミュレータ、実際の上段と形状が似ており重量も重い上段シミュレータ（USS）、そして模擬オリオン乗組員モジュール（CM）と打ち上げ中止システム（LAS）から構成されていた。実際の上段ハードウェアは飛行試験に間に合うように製造することができなかったため、上段質量シミュレータによってブースターは飛行の第1段を通してほぼ同じ軌道を飛行することができた。アレスIXによって打ち上げられたUSSとCM/LAS質量シミュレータは回収されず、大西洋に落下した。第5段質量シミュレータを含む第1段は、フライトデータレコーダーと再使用可能機器を回収するために回収された。[ 8 ]

第一段階

アレスIXの4段式固体ロケットモーターと後部スカートは、スペースシャトルの在庫品から直接流用された。モーターはユタ州プロモントリーのATKローンチ・サービス社によって製造された。[ 9 ] [ 10 ]新しい前部構造はインディアナ州インディアナポリスのメジャー・ツール＆マシン社によって製造された。第一段要素はアラバマ州ハンツビルのマーシャル宇宙飛行センターによって管理された。[ 9 ]固体ロケットブースターの改良点は以下の通りである。

  • 後部スカートは改造され、ブースターを上段シミュレータから直接引き離す8個のブースター減速モーターと、再突入前にブースターを水平方向に回転させて速度を低下させる4個のブースタータンブルモーターが追加されました。また、後部スカートには2基の冗長レートジャイロユニット（RRGU）のうち1基が搭載され、フォールトトレラント慣性航法ユニット（FTINU）に機体の姿勢と位置を伝えるためのデータを提供しました。さらに、分離後に第1段が適切に回転するように、第1段の重心を後方に移動させるため、後部スカートには3,500ポンド（1,600 kg）の鋼鉄バラストが追加されました。
  • 外部に沿って延長されたサービストンネルには、次のものが含まれます。
    • 飛行終了システム用の拡張線形成形炸薬。ステージが自爆する必要がある場合に 4 つのセグメントすべてをカバーします。
    • 追加の圧力および環境計測機器用のケーブル配線。
  • 第5セグメントシミュレータ。アレスIXは、アレスIの5セグメントモーターの長さと質量をシミュレートすることができ、第一段アビオニクスモジュール（FSAM）を収容していました。FSAMには、以下の機能を果たす電子ボックスが含まれていました。
    • 着水後の回復のために飛行データをキャプチャして保存しました。
    • 航空電子システムに電力を供給しました。
    • 分離およびパラシュート展開コマンドを実行しました。
    • 第一段階の分離を記録するビデオカメラが搭載されています。
  • アレス I 第一段前方スカートを模した中空の前方スカート。
  • 前方スカート延長部には、新しく大型化されたパラシュートが収納されていました。3つのメインパラシュートはそれぞれ直径150フィート（46メートル）で、シャトルブースターのメインパラシュートの直径136フィート（41メートル）と比較して大きくなっています。また、パイロットパラシュートとドローグパラシュートを覆う、シャトルブースターの伝統的なノーズキャップも備えていました。ノーズキャップを投棄すると、パイロットパラシュートが放出され、ドローグが引き出されました。前方スカート延長部はブースターから分離し、メインパラシュートを展開しました。
  • 円錐台は中空の逆さの半円錐で、直径 12 フィート (3.7 メートル) の第 1 段と直径 18 フィート (5.5 メートル) の上段シミュレータを接続します。

アレスIXの飛行試験では、フラスタムと前方スカート延長部はアルミニウム製であった。前方スカートと第5セグメントシミュレータは鋼鉄製であった。[ 11 ]

上段シミュレータ

上段シミュレータ

上段シミュレータ（USS）は、NASAの職員によってクリーブランドのグレン研究センターで製造されました。[ 9 ]輸送上の制約（高速道路や河川の橋の高さ）のため、シミュレータは高さ9.5フィート（2.9メートル）、幅18フィート（5.5メートル）の鋼鉄セグメント11個で構築されました。USSは、オリオン有人探査機の中間段からサービスモジュールの頂上までのアレスIの形状、質量、重心特性をシミュレートしました。液体水素タンクと液体酸素タンクの重心は、鋼鉄製のバラストプレートを使用してシミュレートされました。[ 6 ] : 7

USSには、ミッション目標を達成するために必要な主要なデータを収集するための様々な温度、振動、熱、音響センサーが搭載されていました。また、機体の飛行と主要な航空電子機器の機能を制御するフォールトトレラント慣性航法ユニット（FTINU）も搭載されていました。安定性を確保するため、FTINUは下部バラストプレートの裏側に取り付けられていました。地上運用要員は、ロール制御システムも収容されている中間段セグメント側面の乗員ハッチからFTINUにアクセスしました。各USSセグメントには、開発中の飛行計器用のセンサーやケーブルにアクセスするためのはしごやリング状のプラットフォームが含まれていました。階段とプラットフォームが必要だったのは、発射施設39Bの高さが足りず、乗員がアレスIXの上部にアクセスできないためです。[ 12 ]

ロール制御システム

ロール制御システム（打ち上げ時のイメージ図）

アクティブロールコントロールシステム（RoCS）は、飛行試験機が前進軸を中心にロールする傾向があったため必要でした。アレスIXのRoCSは、現在は退役したピースキーパーミサイルに使用されていたエンジンを搭載した2つのモジュールで構成されていました。[ 13 ] RoCSは主に2つの機能を果たしました。[ 6 ] : 8

  • 打ち上げ時の Ares I のロール姿勢を模倣するために、打ち上げ後に機体を 90 度回転させます。
  • ステージ分離までの上昇中、一定のロール姿勢を維持します。

上段シミュレータの外板の両側に配置されたRoCSモジュールは、推進剤としてハイパーゴリックモノメチルヒドラジン（MMH）と四酸化窒素（NTO）を使用し、それぞれに2つのノズルが備えられていました。ノズルは外板の接線方向、かつロール軸に直角に噴射することで、制御ロールトルクを発生させました。推進剤はケネディ宇宙センターのハイパーゴル整備施設（HMF）でモジュールに装填され、地上輸送されてロケット組立棟（VAB）内のUSSに搭載され、39B発射施設へのロールアウトに先立って行われました。

RoCSモジュールは、アラバマ州ハンツビルのテレダイン・ブラウン・エンジニアリング社によってUSSの段間セグメントに収まるように設計・製造された。[ 9 ] [ 14 ]エンジンは、アレスIXに必要なパルスデューティサイクルを実行できることを検証するために、2007年と2008年にホワイトサンズ試験施設でホットファイアテストされた。[ 9 ]

クルーモジュール/打ち上げ中止システムシミュレータ（CM/LASシミュレータ）

アレス IX 飛行試験機の上部には、アレス I の構造的および空力的特性に似た、オリオン乗組員モジュールと打ち上げ緊急脱出システムの複合シミュレータが搭載されていました。実物大の乗組員モジュール (CM) は直径約 16 フィート (4.9 メートル)、高さ 7 フィート (2.1 メートル)、打ち上げ緊急脱出システム (LAS) は長さ 46 フィート (14 メートル) です。

CM/LASシミュレータは、ハードウェアコンポーネントがコンピュータ解析や風洞試験で使用されるモデルの形状と物理的特性を正確に反映するように、高い忠実度で構築されています。この精度により、NASAはCM/LASの飛行性能を飛行前予測と高い信頼性で比較することが可能になります。

アレスIXの飛行データは、機体全体に搭載されたセンサーによって収集されました。これには、熱、空力、音響、振動などのデータを記録するCM/LASシミュレータに搭載された約150個のセンサーが含まれます。データはテレメトリを介して地上に送信され、空の第5セグメントにある第一段アビオニクスモジュール（FSAM）にも保存されました。

CM/LASのセンサーから収集された空気力学データは、車両の加速度と迎え角の測定に貢献します。[ 6 ]：9 ロケットの先端がどのように大気を切り裂くかは、車両全体の空気の流れを決定するため重要です。

CM/LASは、ミッションの ブースト段階の後に上段シミュレータ（USS）とともに海に着水しました。

このシミュレータは、バージニア州ラングレー研究センターの官民合同チームによって設計・構築されました。C-5輸送機によってケネディ宇宙センターに運ばれ、Vehicle Assembly Building（VBS）でロケットに積み込まれた最後のハードウェアとなりました。[ 9 ] [ 15 ]

航空電子機器

航空電子機器

アレス IX は、飛行制御にアトラス V発展型使い捨て打ち上げ機(EELV) の航空電子機器ハードウェアを使用しました。このハードウェアには、フォールト トレラント慣性航法ユニット (FTINU)、冗長レート ジャイロ ユニット (RRGU)、ケーブル ハーネスが含まれていました。第 1 段は、既存のスペース シャトル システムから引き継がれたハードウェアによって主に制御されました。新しい電子機器ボックスである上昇推力ベクトル コントローラー (ATVC) は、アトラスベースのフライト コンピューターからのコマンドを固体ロケット ブースターの推力ベクトル制御システムに伝達する変換ツールとして機能しました。ATVC は、この飛行で唯一新しく採用された航空電子機器ボックスでした。その他のすべてのコンポーネントは、既存または既製のユニットでした。アレス IX では、ミッションに必要なデータを収集するために、開発飛行計器 (DFI) の一部として 720 個の熱、加速度、音響、振動センサーも使用されました。このデータの一部はテレメトリを介してリアルタイムで送信され、残りは中空の第1段第5セグメント内にある第1段航空電子機器モジュール（FSAM）内の電子ボックスに保存されました。

ミッションの地上アビオニクスには、地上管制・指揮・通信（GC3）ユニットが含まれていました。これは、ケネディ宇宙センターの39B発射施設から打ち上げられるモバイル・ランチャー・プラットフォーム1（MLP-1）に搭載されました。GC3ユニットにより、飛行制御システムは地上のコンピュータとインターフェースすることができました。飛行試験機は自律飛行し、上段シミュレータ（USS）の下部バラストプレート下側に設置されたFTINUによって制御されました。

航空電子機器は、アラバマ州ハンツビルのジェイコブスエンジニアリングの下請け業者であるコロラド州デンバーのロッキード・マーティン社によって開発され、アラバマ州ハンツビルのマーシャル宇宙飛行センターによって管理されている。[ 9 ]

記念ペイロード

第 1 ステージの第 5 セグメント シミュレーターの内部には、以下のものを運ぶための靴箱サイズのパッケージが 3 つ取り付けられました。

  • 一般の人々が録画し、NASA の Web サイトを通じて提出された 60 秒間のホームビデオを収録した 3 枚の DVD。
  • 3,500枚の旗がアレスIXチームメンバーに配布される。[ 16 ]

処理

地上作戦

発射台に立つアレスIX

地上運用には、機体のスタッキング、統合、ロールアウト、打ち上げといった作業が含まれ、地上システムには機体インターフェースと雷保護が含まれます。Ares IXでは、以下の新しい手順とハードウェアが開発されました。

  • 発射施設 39B 用の新しい、より高い避雷システム。このシステムは、スペース シャトルの運用に使用されている既存のタワーよりも高いです。
  • シャトル時代のVAB発射室1は、コンステレーションをサポートするために新しいコンピュータハードウェアで完全に改造され、更新され、2009年9月に宇宙飛行士ジョン・ヤングとボブ・クリッペンにちなんで名付けられたヤング・クリッペン発射室として開設されました。
  • モバイルローンチ（ML）ガントリーは、ユニバーサルコネクタを使用して構築され、商用機をモバイルローンチ（ML）で打ち上げることができるようになりました。テスト飛行ではMLが使用されました。
  • クローラートランスポーターのいくつかのシステムが更新されました
  • Ares IX 車両を載せて移動できるようにするために、車両組立棟内のプラットフォームが取り外されました。
  • ロールアウト後の発射台上での機体の揺れを抑える新しい機体安定化システム（VSS） 。VSSには、テネコ社のモンロー部門が製造する既製の油圧ショックアブソーバーが採用されています。
  • 環境制御システム (ECS) は、VSS と第 5 セグメント シミュレータ内の温度を調節し、航空電子機器と地上要員を涼しく保ちます。
  • ロケットへのECSインターフェースは「T-0」ユニットであり、カウントダウンがゼロに達すると自動的に打ち上げ機から切断されることを意味する。[ 6 ]：4

地上業務と地上システムは、ケネディ宇宙センターのユナイテッド・スペース・アライアンスとNASAの職員によって担当されました。

システムエンジニアリングと統合

NASAラングレー研究所が管理するアレスIXシステムエンジニアリング＆インテグレーション（SE&I）オフィスは、機体の部品をロケット全体に統合し、それらがシステムとして連携して飛行試験の目的を達成する責任を負っていました。SE&Iは、すべてのコンポーネントが連携して機能し、主目的および副目的のミッションを確実に達成できるようにすることを担当していました。システムインターフェース、ミッションレベル要件、検証計画、飛行計器管理の詳細な管理は、SE&Iの主要な貢献でした。SE&Iは、コンポーネントの設計と製造を可能にするために、システム全体の構造、熱、および空力解析を提供しました。また、SE&Iは機体の質量を管理し、機体の飛行に使用される軌道、誘導、航法、および制御アルゴリズムを開発しました。

これらのタスクを完了するために、風洞試験と数値流体力学（CFD）を用いて、離陸、上昇、段分離、下降など、飛行の様々な段階で機体に作用する力を調査しました。基本設計が理解されると、SE&Iはシステムの構造解析を行い、ロケットが統合された際に適切に動作することを確認しました。

スケジュールの開発、管理、制御は、ATK と NASA ラングレー間の TEAMS 契約契約に基づいて、NASA ラングレー研究センターに常駐する ATK スケジュール アナリストによって提供されました。

飛行試験

試み計画済み結果振り向く理由決定ポイント天気予報（％）注記
12009年10月27日午前8時00分こすった—天気2009年10月27日午前11時20分 （時刻：00:04:00 保留）高層雲に多数の技術的問題と射撃場の安全上の懸念が加わりました。
22009年10月28日午前11時30分成功1日3時間30分

2009年10月27日（1回目の打ち上げ）

アレス IX は、2009 年 10 月 28 日 15:30 UTC に LC-39B から打ち上げられました。発射タワーを通過するための劇的なヨー操作が写真ではっきりと確認できます。

アレスIXは、サターンIロケットの最初の打ち上げから48年目に当たる2009年10月27日に打ち上げられる予定だった。打ち上げは天候とその他の土壇場での懸念から延期された。[ 17 ]地上クルーは、機首に取り付けられた重要な5ポートセンサーパッケージから保護カバーを取り外すのに苦労した。[ 18 ]民間の水上艇が制限された射場安全区域に誤って侵入し、追い払われなければならなかった。日中の高層巻雲を通って打ち上げられた場合、摩擦帯電を引き起こし、射場安全通信に干渉し、 RSOが自爆命令を出す能力を阻害する可能性があった。打ち上げ責任者のエド・マンゴは、予定されていた待機地点T-00:04:00からのカウントダウン再開を繰り返し延期した。 [ 19 ] [ 20 ]最終的に、4時間の打ち上げ枠の制約と高層雲やその他の土壇場での懸念が重なり、ミッションは2009年10月27日15:20 UTCにその日の打ち上げが中止されました。打ち上げは2009年10月28日12:00 UTCに4時間の枠が開くように再スケジュールされました。[ 19 ] [ 21 ]

2009年10月28日（発売）

Ares IX 打ち上げビデオ
ミッションマネージャーが打ち上げを見守る。

アレスIXは2009年10月28日、東部夏時間11時30分（協定世界時15時30分）にケネディ宇宙センターLC-39Bから打ち上げられ、短時間の試験飛行に成功した。第一段はT-0秒に点火し、アレスIXは39B発射施設から打ち上げられた。[ 22 ]第一段は上段シミュレータから分離され、発射場から約150マイル（240 km）離れた大西洋上にパラシュートで落下した。ロケットの最高高度はすぐには判明しなかったが、28マイル（45 km）と予想されていた。

この打ち上げにより、主要な試験目的はすべて達成され[ 23 ] 、ケネディ宇宙センターから新しい宇宙船を準備して打ち上げる上で多くの教訓が得られました[ 24 ]。

推力振動

飛行前、NASAの科学者やアレス批判派、懐疑派の間では、推力振動があまりにも激しく、人間の宇宙飛行士がアレスロケットに安全に搭乗できないのではないかと懸念されていました。NASA Watchは、アレスIの第一段固体ロケットブースターが上昇開始から数分間に大きな振動を引き起こす可能性があると報じました。この振動は、第一段内部の推力振動による急激な加速パルスによって引き起こされます。NASAはこの潜在的な問題が非常に現実的であることを認め、リスクスケールで5段階評価の4と評価しました。同時に、長年にわたる問題解決の成功例を挙げ、解決できるという自信も示しました。[ 25 ] NASAの職員は2007年秋からこの問題を認識しており、プレスリリースでは2008年3月までに解決したいと述べていた。[ 25 ] [ 26 ] NASAによると、アレスIX飛行のデータとテレメトリの分析により、推力振動による振動はスペースシャトルの飛行の正常範囲内であることが示された。[ 27 ]

パッドの損傷

アレスIXの打ち上げから約2時間後、LC-39B発射台に入った安全作業員は、固定サービス構造物の95フィート（29メートル）レベルにある、回転サービス構造物に接続する老朽化したシャトル酸化剤ラインから、残留四酸化窒素の小さな雲が漏れていると報告した。2009年10月29日午前8時40分、ペイロード交換室と固定サービス構造物の間の95フィート（29メートル）レベルでヒドラジンの漏れが検出された。両方の漏れは人員に怪我をすることなく封印された。[ 28 ]

アレスIXが打ち上げ直後に実施した発射台回避操作（Pad Avoidance Maneuver）により、LC-39Bの固定サービス構造物（Fixed Service Structure）は、通常のスペースシャトルの打ち上げ時よりもはるかに多くのロケットの直接排気を受けた。その結果生じた損傷は「甚大」と報告されており、両方の発射台エレベーターが使用不能になり、発射台と発射管制センター間のすべての通信回線が破壊され、屋外のメガホンはすべて溶解した。固定サービス構造物の宇宙船に面した部分は、回転サービス構造物を支えるヒンジ柱と同様に、極度の熱損傷と焦げを被ったようである。[ 29 ] NASAはFSSを撤去し、将来のアレス宇宙船を「クリーンな発射台」から打ち上げる予定であったため、この損傷は予測されていた。

パラシュート故障

飛行中、パラシュートを固定するリーファーに搭載された火薬が、パラシュート内に留まったまま早期に爆発したため、パラシュートが過負荷となり展開時に破損した。さらに2枚目のパラシュートにも負荷がかかり、同様に過負荷となり部分的に破損した。残りの2枚のパラシュートはブースターを不安定な着陸へと導いたが、幸いにも損傷は最小限にとどまった。[ 30 ]再発防止のため、パラシュートのランヤードの設計も変更された。[ 30 ]

NASAによると、アレスIXの基となるスペースシャトル固体ロケットブースター（SRB）では、パラシュートの部分的な故障が頻繁に発生していた。スペースシャトルSRBでは、 STS-128を含め11回にわたり、パラシュートの部分的な故障が発生した。[ 27 ]

第一段階の損傷

回収船MVフリーダムスターのダイバーが撮影した、第1段下部の大きなへこみの一部。

第1段は、使用済みのスペースシャトル固体ロケットブースターによくあるように、直立した状態で浮いているのが発見された。しかし、回収ダイバーは下部の座屈に気づいた。[ 31 ] [ 32 ]また、報告書では、ブースターの前部セグメントのケーシングが明らかに破損していること、およびSRMのノズルベクターシステムの一部であるアクチュエータを保持するブラケットが破損していることにも言及している。[ 32 ] NASAのメモには、技術者らは、第1段が設計よりもはるかに高い速度で着陸した際に、3つのメインパラシュートのうち1つが展開に失敗し、さらに2つ目のメインパラシュートが展開されたままにならなかったために、下部セグメントが座屈したと考えていると記されている。[ 29 ]現時点では、ケーシングの明らかな破損とブラケットの破損の原因は不明であり、NASAはこの損傷についてコメントしていない。

上段シミュレーターのフラットスピン

回収されることが想定されていなかった、動力のない上段シミュレータ（USS）は、大西洋のさらに沖合に衝突した。[ 33 ] USSは、ステージング直後から反時計回りのフラットスピンで回転し始めた。当初、この動きはUSSと第一段の衝突によって引き起こされたのではないかと懸念されたが、[ 34 ]その後の分析で、実際には再接触は起こっておらず、回転は飛行前シミュレーションで予測されていた可能性のある挙動の一つであったことが示された。[ 35 ]

USSは実際のアレスI上段ロケットの特性と完全に一致しておらず、上段の単独性能試験を目的としたものではありませんでした。上段ロケットに動力が供給されておらず、最終的なアレスIよりも低い高度で分離したことが、スピンの原因となりました。[ 27 ]

参考文献

パブリックドメイン この記事には、アメリカ航空宇宙局のウェブサイトまたは文書からのパブリック ドメイン マテリアルが組み込まれています。

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