NASAのスペース・ローンチ・システムは、液体水素と液体酸素の混合物で駆動されています。これらの要素を組み合わせることで、コンパクトで非常に強力なロケット推進剤が実現しますが、同時に、この燃料の欠点も生み出しています。
SLSの2回目の打ち上げは、9月3日土曜日に中止を余儀なくされました。クイックディスコネクト（液体水素燃料ラインをロケットのコアステージに接続する直径20cmの入口）からの水素漏れをエンジニアが解決できなかったためです。この失敗により、SLSは早くても10月まで打ち上げられない見込みです。無人オリオン宇宙船が月まで往復するアルテミス1号ミッションは、延期せざるを得ません。
地上チームは8月29日（月）の最初の打ち上げ失敗時に水素漏れを修復しましたが、故障したセンサーがエンジンが必要な極低温に達していないと誤って表示したため、打ち上げは最終的に中止されました。土曜日の漏れは封じ込めがはるかに困難であることが判明し、エンジニアは3つの異なる修復方法を試みましたが、どれも効果がありませんでした。「これは制御可能な漏れではありませんでした」と、アルテミス計画のミッションマネージャーであるマイク・サラフィン氏は打ち上げ中止後、記者団に語りました。
NASAは今後の対応を検討中ですが、ロケットはVehicle Assembly Building（VBL）に戻り、飛行終了システムに関する義務付けられた安全点検を受けなければなりません。システム内の圧力が一時的に上昇する不注意なコマンドがあったため、ロケットにはハードウェアの修理が必要になる可能性があります。この意図しない過加圧がシール漏れの一因となった可能性があり、エンジニアたちは現在、その可能性を検討しています。
水素問題の継承
NASAにとって、水素漏れは目新しいものではありません。スペースシャトルの打ち上げ中止は驚くほど頻繁に発生しており、その多くは水素漏れが原因でした。最も悪名高いエピソードの一つは「水素の夏」です。1990年にシャトルの運航停止に至った原因は、地上チームが6ヶ月以上もかけて原因不明の水素漏れ箇所を特定しようとしたことでした。SLSは液体水素燃料の使用を含め、スペースシャトルをモデルに設計されているため、水素関連の打ち上げ中止は確かに予測可能でした。しかし、SLSはSLSであり、NASAは巨大月ロケットのこの制約に対処する以外に選択肢がほとんどありません。
シカゴ大学の宇宙史学者ジョーダン・ビム氏は、NASAが液体水素を使い続けるのは技術的な理由ではなく、政治的な理由からだと言う。
「1958年のNASA設立以来、NASAは全米各地の請負業者を利用して、議会における宇宙探査への幅広い政治的支持と資金提供を維持してきました」とビム氏は語った。「液体水素を使用した最初のシステムは、1950年代と60年代に開発されたセントールロケットでした。2010年、米国議会はNASAへの資金提供に関する承認法において、NASAが次世代打ち上げシステムにスペースシャトルの既存技術を活用することを義務付けました。」さらに同氏は、「これは、主要選挙区における請負業者の雇用を維持し、そこから議会におけるNASAへの資金提供と支持を確保するための政治的決定でした」と付け加えた。
この開発により、退役するスペースシャトルのRS-25エンジンは、液体水素と液体酸素の混合燃料に依存することから、SLSに引き継がれることになりました。NASAは退役したスペースシャトルから合計16基のエンジンを回収し、そのうち4基は現在、フロリダ州ケネディ宇宙センターの発射台に設置されたSLSロケットに取り付けられています。
ビム氏によると、この状況は1983年の映画『ライトスタッフ』のキャッチフレーズ「金がないとバック・ロジャースもなし」を彷彿とさせるという。NASAは「探査プログラムを維持するために、議会からの政治的支持を最優先しなければならないことが多い」と彼は述べた。RS-25エンジンの継続的な使用は、「燃料選択のような些細なことがいかに政治的になり得るか、そして冷戦時代の『ビッグサイエンス』時代に設立された大規模な国家機関にとって、最も単純で望ましい解決策がいかに政治的に実現可能でないかを示す、もう一つの例だ」とビム氏は述べた。
NASAは、メタンやケロシンといった推進剤ではなく、液体水素と液体酸素の混合物を大型ロケットの燃料として採用しました。一方、SpaceXが開発中のStarshipは、液体メタンを使用し、酸化剤として液体酸素を使用しています。「火星探査を目指していたSpaceXは、コスト削減のための資源活用として、火星上で液体メタンを抽出できることを期待して液体メタンを選択しました」とビム氏は説明します。資金難に苦しみ、政治家の意向を汲み取らなければならないNASAは、SLSの設計において、異なる原則に基づいて作業を進めていました。
NASAは2011年の予備プロジェクト報告書で、「現在の情報と分析に基づくと、[提案されているSLS設計]は、短期的なコストが最も低く、最も早く利用可能となり、次期国産大型ロケット開発への全体的なリスクが最も少ない道筋となる」と記している。「このSLSアーキテクチャを選択すれば、近い将来、新たな液体燃料エンジンを開発する必要がなくなり、初飛行までの期間が短縮されるだけでなく、SLSの全体的なコストも最小限に抑えられる可能性が高い」。
皮肉なことに、2017年に打ち上げられるはずだったSLSは未だ打ち上げられておらず、オリオンカプセルを含む開発費は総額500億ドルを超えています。これには、SLSの打ち上げ1回あたりに推定41億ドルかかる費用は含まれていません。そして、スペースシャトルの部品を引き継いだことで、NASAは水素問題も引き継いでしまったのです。
有益だが厄介な分子
水素はロケット燃料として非常に有用です。入手しやすく、クリーンで軽量であり、液体酸素と組み合わせると極めて強力に燃焼します。NASAによると、「液体酸素などの酸化剤と組み合わせることで、液体水素は既知のロケット推進剤の中で最も高い比推力、つまり消費量に対する効率性を実現します」とのことです。華氏マイナス423度（摂氏マイナス253度）まで冷却された水素はロケットに詰め込むことができ、費用対効果の高い燃料として利用できます。「燃料としての液体水素の利点は、ロケットを推進するために放出したいエネルギーを効率的に貯蔵できることと、宇宙飛行において常に考慮される軽量さです」とビム氏は述べています。
NASAのアポロ時代のサターンロケットの第2段は、シャトルの3つの主エンジンと同様に液体水素を使用していました。水素は第2段（ヨーロッパの大型ロケットアリアン5が好例）や、軌道上で宇宙船を操縦するために必要な液体燃料として広く使用されています。現在液体水素を使用しているロケットには、アトラスのセントール、ボーイングのデルタIIIおよびIVがあり、ブルーオリジンのBE-3およびBE-7エンジンも水素を使用しています。
「水素の欠点は、分子サイズが小さいため輸送や制御が非常に難しく、漏れが発生しやすいことと、液体状態を保つために極低温まで冷却する必要があることです」とビム氏は述べています。さらに、水素は液体状態では非常に揮発性が高く、大量に燃焼する可能性があります。また、宇宙で最も軽い分子であるため、漏れやすいという欠点もあります。NASAは、液体水素を燃料として使用する際の多くの課題について、以下のように説明しています。
液体水素を燃料とするロケットは、水素の蒸発や沸騰を防ぐため、ロケットエンジンの排気や大気圏飛行中の空気摩擦など、あらゆる熱源から厳重に遮断されなければなりません。宇宙に到達した後は、太陽の放射熱からも保護する必要があります。液体水素は熱を吸収すると急速に膨張するため、タンクの爆発を防ぐためにガス抜きが必要です。液体水素の極寒にさらされた金属は脆くなります。さらに、溶接部の微細な隙間から液体水素が漏れ出す可能性もあります。
こうした困難にもかかわらず、NASA は SLS の設計時に液体水素を選択し、現在その代償を払っている。
新しいロケット、同じ古い問題
SLSに極低温水素を充填する際、急激な流入によってロケットの構造に大きな変化が生じます。NASAによると、高さ130フィート（40メートル）の水素タンクは、極低温の液体で満たされると、長さが約6インチ（152mm）、直径が約1インチ（25.4mm）収縮します。ダクト、通気管、ブラケットなど、タンクに取り付けられた部品は、この急激な収縮を補正する必要があります。これを実現するために、NASAはアコーディオン状のベローズ、スロットジョイント、伸縮式セクション、ボールジョイントヒンジを備えたコネクタを使用しています。
しかし、宇宙で最も小さな分子である水素は、ごく小さな隙間さえも通り抜けてしまうことがよくあります。燃料ラインは特に問題が多く、ロケットにボルトでしっかりと固定することができません。その名の通り、クイックディスコネクトはしっかりと密閉する一方で、打ち上げ時にはロケットから外れるように設計されています。この密閉は、高圧と極低温下でも漏れを防ぐ必要がありますが、ロケットが離陸する際には解放される必要もあります。土曜日、クイックディスコネクト付近で漏れが発生し、濃度が4%の制限をはるかに超え、NASAの可燃性限度を超えました。漏れを解決できないため、NASAは緊急停止を命じました。
NASAがまだ第一段と第二段の燃料を満タンにしておらず、カウントダウンもかなり進んでいることは、真に懸念すべき事態です。NASAは過去にも水素漏れの問題に対処してきたため、エンジニアたちが今回も解決策を考案し、プロジェクトを前進させてくれることを期待しています。
それでも、アルテミス時代の始まりとしては、苛立たしいものだった。NASAは、月面環境への恒久的かつ持続可能な帰還を目指し、将来の火星探査ミッションも視野に入れているため、SLSを必要としている。NASAはSLSを成功させなければならないが、それはおそらく、苛立たしいほどの困難を一つずつ乗り越えながら、成し遂げなければならないだろう。
