NASAの宇宙船2機が1週間で故障、そこには関連性がある

水曜日の夜遅く、ドーン探査機は火星と木星の中間にあるケレスの穴だらけの地表から 22 マイル上空を滑空した。飛行中、ドーン探査機はゆっくりと、しかし頻繁にスラスターを噴射し、準惑星の重力で太陽電池パネルが下がったときはいつでも、翼のようなパネルを調整した。その後、何の前触れもなく、次のパルスが途切れ、何も出てこなかった。パネルを太陽と直角に合わせることができなかったドーンは、セーフ モードに切り替わり、暗くなった。まったくの偶然で勤務中だったサポート チームは、11 年間のミッションが終わったとすぐに疑った。

「その時点では、私たちはほぼ燃料切れの状態でした」とNASAジェット推進研究所のドーンの主任エンジニア、マーク・レイマン氏は言う。

太陽系外惑星探査用のケプラー望遠鏡が同様のニュースを報じたわずか 2 日後にドーンのタンクが空になったという事実は、意外ではあるものの、両チームが何ヶ月もの間、減少する補給品を積極的に管理していたため、それほど衝撃的な偶然ではなかった。2 機の宇宙船は太陽系の異なる領域で活動していたが、その生涯と死の軌跡は似ている。どちらも、同じ乏しい資源のバランスを取らざるを得ず、同じ不完全な設計特性によって不利な立場に置かれたエンジニア チームに支えられ、部品が故障するという不可避の事態に 10 年にわたって立ち向かった。

どちらの探査機もバッテリーを太陽光発電で充電するため、機動性が制限要因となった。科学的目標に向けられたまま地球に向かって回転し、その知識を地球に送信するため、探査機は 2 つの戦略を採用した。ほとんどの場合、彼らは「リアクション ホイール」、つまり一方向に回転して探査機を反対方向に回転させるディスクに頼っていた。しかし時折、向きを変えずに常に回転しているホイールを調整するため、探査機はヒドラジン燃料を使ってスラスタを噴射した。NASA エイムズ研究センターでケプラーのシステム エンジニアを務めるチャーリー ソベック氏は、この構成をハイブリッド車に例える。「通常は電気エンジンを使用しますが、ときどきバッテリーが切れて、ガソリン エンジンを始動してバッテリーに電力を供給しなければなりません」

ドーンとケプラーはそれぞれ2007年と2009年に4つの車輪（回転軸ごとに1つ、予備が1つ）と数十ポンドの燃料を搭載して打ち上げられた。ヒドラジンが制限要因であると予想されていたが、リアクションホイールが不可解に故障し始めたため（最初はドーンの2010年、続いてケプラーの2012年）、エンジニアたちは予想外の課題に直面していることに気付いた。車輪の欠損はスラスターの追加使用で補うことができたが、エンジンを噴射するたびにミッションの終了が少しずつ近づいていった。

レイマン氏もソベック氏も、車輪の何が悪かったのか正確にはわかっていない。原因は潤滑不良から内部の静電気ショックでベアリングに小さな穴が開いたことまでさまざまだ。深宇宙のメカニックに頼ることはできないため、壊れた部品でできる限りの飛行をしなければならなかった。単純な選択なら、短い時間で済むことを受け入れ、効率の悪いスラスターだけで航行することになるかもしれないが、どちらの場合もエンジニアは創造性を発揮して代替案を見つけた。

2013年にケプラーの2番目の円盤が故障して主ミッションが終了したとき、チームは太陽を仮想の3番目の車輪に変えて残りの2つの車輪を補完する方法を考え出しました。光はわずかな圧力を加え、探査機は太陽に直接面することでバランスを保つのにちょうどよい角度を見つけました。新しい飛行モードはヒドラジンの観点からはやや非効率的で、観測は特定の空の帯に制限されましたが、星はどこにでもあります。結果としてK2ミッションは、5年間で350を超える新しい太陽系外惑星を主ミッションの数千の発見に加えました。「2つの車輪による解決策があるとは思っていませんでした」とソベックは言います。「しかし、それは非常に効果的であることがわかりました。」

ケプラーとは異なり、ドーンを支配していたのは不安定化させる力だった。2011年から2012年にかけて小惑星帯で2番目に大きい天体ベスタを探査した後も、2つの車輪はまだ回転していた。レイマンは、ドーンがケレスの重力の不安定な引力で転倒しないようにするには、老朽化し​​たリアクションホイールが必要だとわかっていたので、ホイールをオフにし、主にヒドラジンを頼りに第2の目的地まで航行した。「この重大な脆弱性を受け入れました」と彼は言う。「[ホイールの]寿命を慎重に管理しなければなりませんでした」。ドーンは2015年12月、低空飛行中のスマートな航行のためにホイールを再び回転させた。

ドーンは昨年3番目の車輪を失ったにもかかわらず、水曜日までケレスの周りを飛び回り、未知の世界を探索するSF風の探査機としての地位を固めました。ドーンはスターウォーズやスタートレックで有名になった「イオンエンジン」を搭載しているだけでなく、地球外天体を周回した後、離陸して別の天体へ飛び移った初の宇宙船となりました。

細心の注意を払って管理していたにもかかわらず、両宇宙船に搭載されたヒドラジンは、不調のリアクションホイールを補助できたのはここまでだった。ケプラーの燃料ラインの圧力が7月初旬に急降下したため、エイムズ宇宙センターのエンジニアたちは、残りの燃料を8月の最終データダウンロード用に温存するため、機械を停止した。「我々の多くは、それができるかどうかは50対50の賭けだと思っていました」とソベックは回想する。彼らはその情報を無事に回収し、ヒドラジンタンクが10月中旬に完全に空になる前に、最後の観測セッションまで持ち込んだ。現在、ケプラーは最後のスリープコマンドを待っている。ドーンにはまったく到達できないままだ。安定できない探査機は、今後数十年にわたってケレスの周りでゆっくりとした堂々とした回転を始めた可能性が高いとレイマンは言う。

NASAはケプラーやドーンの車輪がこれほど多く故障した理由を突き止められていないが、将来の宇宙船のために技術を改善する措置を講じている。両ミッションの車輪はUTCエアロスペースシステムズという同じ会社が提供したもので、同社は日本の小惑星探査機はやぶさにも同様のモデルを供給した。はやぶさも車輪の故障や方向付けの課題を克服したミッションだった。ケプラーとドーンが2日以内に停止したのはまったくの偶然だが、両機が同時に燃料切れになったのは完全に偶然ではないかもしれない。内部温度の上昇により、燃料資源にかかわらずケプラーの寿命は残りわずかとなったが、ドーンはその他の点では良好な状態を保っており、運用を継続できた可能性もあった。

UTCエアロスペースシステムズは問い合わせをNASAに回したが、レイマン氏は、同じ請負業者の他のホイールは「まったく問題なく」機能しており、ドーンおよびケプラーのリアクションホイール製品ラインはもう入手できないと述べている。

この特定のケースでは、リアクションホイールが二人の弱点であることが判明したが、レイマン氏はその技術全般を称賛し、20年近くもの間「見事に」軌道を合わせ続けた宇宙船の例としてカッシーニを挙げた。ソベック氏は、いずれは何かが壊れるものであり、こうした扱いにくいジャイロスコープが最初に壊れる重要な部品になることが多いと語る。ほとんどの部品はあまり動かないが、リアクションホイールは何年もの間、毎秒何千回も回転しなければならないため、少しでも欠陥があると、たちまち壊滅的な摩擦と熱が発生する可能性がある。

それぞれのチームの飛行中のマクガイバー活動のおかげで、5億ドルのドーンは本来のミッションより3年長く、6億ドルのケプラーは期待を6年上回りました。どちらのパフォーマンスもレイマン氏にとっては驚きではありません。同氏は、NASAの宇宙船が期待を上回る成果を上げることが多い理由は、経済性と優れたエンジニアリングにあると示唆しています。「納税者の何億ドルものお金を投入して、たとえば8年間のミッションを行うのであれば、8.01年ですべてが機能しなくなるように設計するはずがありません」と同氏は言います。

レイマン氏は、2 つのミッションが継続できればうれしいと言いながらも、コミュニティにとってこれほど長くミッションが続けられたことは幸運だと哲学的に語る。同氏は、この状況を、10 年間毎日 1,000 ドルを受け取っていたのに、今週突然思いがけない収入が途絶えた状況に例える。「『ああ、今日も 1,000 ドル欲しい』と思うかもしれない」と同氏は言う。「しかし、別の見方をすれば、『自分はなんて裕福なんだ』とも言える。ケプラーとドーンはどちらも、驚くほど長い間、莫大な富をもたらしてくれた」