つかんで放す：私たちを宇宙へ連れて行く爆発するボルト

隣の部屋からは、分厚い花崗岩の壁を通して、まるで古い蒸気機関車が近づいてくるかのような、チャグチャグチャグという音が聞こえてくる。角を曲がると、騒音の源が見える。テーブルが揺れているのだ。長い金属の板が前後に激しく揺れている。その上に、圧力と動きを計測するセンサーが詰まった6個の直方体が2列にきちんと並んでいる。それぞれの角柱には、成人男性の前腕ほどの大きさで重さ約10ポンドのチタン合金のボルトが取り付けられている。精巧に組み立てられていることからもわかるように、これらのボルトは特別なものだ。

最終的に、この驚くべきハードウェアは宇宙に送られる。ボルト、またはそれに似たボルトは、オリオン宇宙船の各部を固定する。オリオン宇宙船は、1972 年以来初めて人類を低軌道から外へ運ぶ新型宇宙船で、最初は月へ、後には火星へ向かう。しかし、その前に、留め具は宇宙船の旅の模擬バージョンに耐えなければならない。ただし、より厳しいものになる。

部品が耐えている振動は、打ち上げの激しさをシミュレートするためのほんの始まりに過ぎない。部品は、ハンマーで叩かれたり、焼かれたり、凍らされたりもする。合計 24 回のテストだ。これはすべて、金属が発射台に到着する前のことだ。この酷使により、ボルトが巨大な宇宙船をつなぎとめるだけでなく、ちょうどいいタイミングできれいにバラバラになることが保証される。もっと正確に言えば、ボルトが爆発し、オリオンのロケットの一部を戦略的に投棄することになる。

この可燃性ハードウェアの設計、製造、およびテストのほとんどは、コネチカット州東部の古い石造りの工場で行われ、エンジニアたちは 1 世紀以上にわたってさまざまなアイテムに花火の材料を詰め込んできました。19 世紀のブラウンストーン、花崗岩、レンガでできた 200 エーカーのキャンパスは、工場街と大学の両方の雰囲気があり、エンサイン ビックフォード エアロスペース & ディフェンス カンパニー (EBAD、なんとなく不吉な頭文字がないと防衛関連企業とは言えません) の本拠地です。EBAD は、このプロジェクトにおける NASA の主要請負業者であるロッキード マーティン向けにオリオンのナットやボルト (およびセラミック、ファブリック、スプリング) を製造している 2,000 社を超える企業の 1 つです。

EBAD の部品はこの宇宙大作の中では脇役だが、同社のミッションクリティカルな役割は、同社に大きな引力を与えている。オリオンを大気圏外に打ち上げる 550 万ポンドのロケット (総称して NASA のスペース ローンチ システムと呼ばれる) およびその他の機器のうち、地球に戻ってくるのはわずか 20,500 ポンド (0.38 パーセント未満) だ。「打ち上げ時にすべてのものを月まで持ち帰って戻ってくるのは、最も避けたいことです」と、ロッキードのオリオン クルー カプセル (宇宙飛行士が乗るカプセル) 担当副マネージャー、キャロリン オーバーマイヤーは説明する。「月では爆発システムは必要ありません。では、どこに行くのでしょうか? 分離します。これは「分離イベント」です」。平易な言葉で言えば、物が落ちるということだ。

爆発するボルトはそのプロセスの触媒であり、「私たちの使命の中心です」とオーバーマイヤー氏は言う。

オリオンの月への往復飛行では、8回の分離が行われる。最初の1回は打ち上げから3分後に起こる。ボルトが、爆発性の粉末が混入されたフランジブルジョイントと呼ばれるジッパー状の亀裂に沿って分離し、オリオンを離陸させる荷重を放出する。打ち上げの熱から機体を守るフェアリングと呼ばれる2階建て近くもある3枚のパネルが、そのまま落下する。「高さ15フィートのコーヒー缶がドカン！と音を立てて飛んでいく」とオーバーマイヤーは、テスト飛行中に機体からパネルが分離するのを初めて見たときのことを思い出しながら言う。「こんなことを言うのは馬鹿げていると思うけど、とてもとても美しいと思った」

ミッションが進むにつれて、より多くのシステムが無関係になり、切り離される。最後に切り離されるのは、ミッションに必要なすべての液体とガスを収容するゴミ箱型のポッドであるサービスモジュールである。このモジュールは、この目的のために作られた 4 つの留め具の力で、130 万マイルの旅の間ずっとオリオンカプセルを固定している。乗組員を乗せた宇宙船が地球への帰還を開始すると、留め具が分離してポッドが解放され、燃え尽きる。

これらのボルトを決定的な瞬間、つまり完全な故障に備えることは、一種の禅の公案のようなものです。一度だけ機能するものを完全にテストするにはどうすればよいでしょうか。機能を果たすためには必ず故障するものを、どのように設計すればよいでしょうか。

答えの一部は、リリース ボルトとリテンション ボルトと呼ばれるねじ山付き留め具がテーブルの上で揺れ、ガタガタと音を立てていることから明らかです。EBAD がオリオン用に製造するさまざまなハードウェアのうち、これらは地球上でも宇宙でも最も過酷な拷問を受けるに違いありません。「私たちは、これらを徹底的に打ちのめします」と、EBAD のテスト サービス マネージャーであるスティーブ サーストンは、テーブルの動きに反して激しく揺れる勇敢な固定具を見ながら言います。サーストンは向きを変えて静かな場所へ歩き、静かに、ほとんど厳粛にこう言います。「部品に対して本当にフェアではありません。しかし、それがポイントです。限界を見つけ、限界に挑むことです。」

外では、朝の雨が秋の明るい緑の始まりに変わりました。かつて EBAD の工場に動力を与えていた川がキャンパス内を曲がりくねって流れ、カワウソの家族が住み着いています。この環境と、古い石壁の後ろで行われていること、つまり宇宙時代のボルトが限界まで伸ばされ (そして押しつぶされ、叩かれ、ガタガタと鳴らされ) ていることを一致させることは困難です。

コネチカット州シムズベリーは、南北戦争のずっと前から EBAD の本拠地でした。当時、この地域には鉄鉱山、銅鉱山、花崗岩採石場があり、大量の掘削と爆破が行われました。その方法は粗雑で、穴を掘り、火薬を詰め、導火線 (通常は紐か布) を通す小さなスペースを除いて塞ぎ、火をつけ、逃げるというものでした。多くの場合、爆発するはずのないときに爆発し、大抵は早すぎたために、何百人もの人が亡くなりました。

1831 年、これらの技術は変化し始めました。より洗練され、予測可能で、安全なものになりました。ニューイングランドよりもさらに採鉱が盛んだった旧イングランドのコーンウォール州で、ウィリアム ビックフォードという名の発明家が最初の安全導火線の特許を取得しました。ビックフォードは中空の黄麻のロープの中に火薬を詰め、1 フィートあたり約 30 秒という予測可能な速度で火が消えるようにしました。1839 年、ビックフォードはコネチカット州の鉱山会社と提携し、バーナーを米国で製造販売しました。ラルフ ハート エンサインは 1870 年に加わりました。彼の相続人は後に会社の爆発物事業を導火線以外にも拡大し、泥棒が手を加えると煙が出る銀行バッグなどの製品を開発しました。

ビジネス開発部門の責任者であるデイブ・ノボトニー氏は、この 100 年以上の歴史を手短に説明しながら、重要なポイントに話を移した。彼はデスクから身を乗り出し、こう説明した。「私たちはここで物事を爆破します。私たちはそれが得意です。長い間、それをやってきました。」しかし、ビックフォード氏の時代でさえ、鍵となるのはタイミングだった。タイミングが全てであり、今もそうだ。

時速 20,000 マイルで宇宙を疾走する小さな金属の塊の中にいる宇宙飛行士ほど、この言葉が真実である人はいない。そのため、ほとんど逆説的だが、有人ミッションでは宇宙船の何十箇所にも爆薬が仕掛けられている。爆薬は必要なときに、必要な働きをする。

NASA はこれらの推進剤を「爆発物」とは呼んでいない。そうではなく、いわゆる分離ボルトが中心となる火工システム、またはパイロである。アクチュエーターと呼ばれる電子スイッチが、留め具につながる糸状の焼夷剤コードに電荷を送る。この現象は、ほんの一瞬、つまり人間のまばたきの約 100 万分の 1 秒で終わる。

NASA は、設立当初から、射出座席や兵器の展開にも使われるこのタイプの素早い動作に頼ってきた。1950 年代後半から 1960 年代前半のマーキュリー計画では花火が実験されたが、必ずしも素晴らしい結果だったわけではない。マーキュリー 4 号の飛行中、着水時に脱出ハッチの不発によりカプセルが浸水し、宇宙飛行士が溺れかけた。NASA は、花火で展開する着陸装置などの新しい構造を追加した 1960 年代半ばのジェミニ計画までに爆発音の制御を改善した。1960 年代後半から 1970 年代前半のアポロ計画までに、人類を初めて月に運んだ宇宙船では、210 個の爆発技術が 24 の機械的機能 (月着陸船の分離から降下用のパラシュートの放出まで) を担っていた。EBAD は、これらの小型だが強力な点火装置の多くに花火を供給した。

しかし、爆発はシャトル計画の間は二の次だった。スペースプレーンは、宇宙遊泳する宇宙飛行士を含むアタッチメントをドッキングしたり切り離したりする、モーター付きの再利用可能なシステムに大きく依存していた。しかしモーターは完璧ではないと、オリオンのパイロに携わり、シャトルでほぼ 20 年を過ごした NASA のエンジニア、スチュアート・マクラングが後で私に説明した。モーターはパイロより数秒遅く、重量も数ポンド重く、最悪、故障することもある。そのため、彼は依然としてフェイルセーフとして爆発を支持している。「何か問題が起きても、それを破壊して家に帰ればいいのです。」

今日、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡やオシリス・レックス小惑星サンプラーなど、太陽電池パネルをゆっくりと展開する必要がある衛星や無人システムでは、電気による動作がますます求められている。「良いニュースは、パイロシステムの動作が非常に速いことです」とノボトニーは冗談を言う。「悪いニュースは、動作が非常に速いことです」。また、私たちの頑固な友人たちにとって残念なことに、再利用性を信条とするスペースXの創設者イーロン・マスクは、爆発のファンではない。

EBAD はシャトルに装備をほとんど搭載していなかった。そして何年も前に、ノボトニーはほとんどの宇宙ビジネスが爆発から完全に離れつつあることに気づいた。しかしオリオンは、シャトル以前の時代、つまり制御された爆発に依存していた時代への回帰であり、同社にとっては爆発の信頼性を活かすチャンスだった。そこでノボトニーは、一世代に一度の宇宙船が飛び去る前にそれを捕まえようと熱心に入札した。

今では、彼とエンジニアのチームはボルト作りの試行錯誤にかなり夢中になっている。彼らの仕事の最終成果は、ノボトニーのオフィスに、訪問者に見せびらかすのにうってつけの使用済み留め具の破片がたっぷり入った黄色いバケツに入っていることもある。このゴミをのぞき込むと、超精密に設計され、延々とテストされた爆発する宇宙製品というよりは、捨てられた埋め立てられたパイプのように見える。彼らの仕事は極めて単純だが、完璧にするには何年もかかる。一緒にいて、バラバラになって、乗組員を地球に帰還させる手助けをする。「突然気が変わってブルース・ウィルスを救助任務に送り出せるわけではない」とノボトニーは言う。「家に帰ってくる、それだけだ」

EBAD は 2009 年以来、オリオンのハードウェアを作ったり壊したりしてきた。事業開始当初、ロッキードは最初は数百ページ、その後は数千ページに及ぶ大量の仕様書を納品した。しかし、EBAD はゼロから始めたわけではない。同社は 1965 年に特殊なヒューズを製造するために宇宙兵器部門を設立し、他の数社 (NASA も含む) は 1950 年代から分離ボルトを製造していた。そのため、2000 年代初頭には、すでに大まかな概要は出回っていた。

要求されたときには明らかにボルトらしくないものでなければならないボルトを完成させるために、EBAD のエンジニアたちはハードウェアの最も弱い部分、つまり破断の震源地である破断面について多大な時間を費やしている。ロッキード社のオーバーマイヤーはそれを折りたたんだ紙に例え、「曲げると折り目が非常に強くなるので、その線で破断する」と説明する。打ち上げ時のようにハードウェアがすぐに破断すると、ここで起こるだろう。ボルトの場合、面はチタンの表面を一周する非常に薄い切り込みで、一方の端から 3 分の 2 ほどのところにある。EBAD がオリオンの初期テストを行っていた頃、設計者たちは配置や深さをあれこれ調整した。最も重要なのは、毎回適切なタイミングできれいに破断するよう、内部構造や爆薬と慎重に組み合わせることだった。

改良に取り組んでいる間も、ルールは変わり続ける。開発の半ば、つまりボルトの修正を12回以上行い、機体テストを数回行った後、NASAはオリオンのサービスモジュールを大幅に軽量化し、最終的に火星まで往復する2年間の旅で人間の生活を支えるシステムのためのスペースを確保する必要があると判断した。当時の重量49,000ポンドだった機体から約3,000ポンドを削減する必要があった。EBADにとって、それはボルトの数を減らして頑丈にすることを意味した。旅のほぼ全行程で持ちこたえる必要のある6個の留め具の代わりに4個で済むため、約25ポンドの軽量化になる。「これは頭の痛い問題でした」と、設計を監督するEBADのエンジニア、ショーン・キーオンは言う。彼らはボルトを最初から作り直し、太さと長さを約1/4インチ追加した。微調整により、各ボルトは10万トン以上を保持できるようになったため、オリオンは2個を失っても心配する必要がなかった。

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チームは、ボルトを正確な仕様に従って加工します。測定値が 1⁄1,000 インチ以上ずれていると、ダメになります。しかし、これらのヘラクレスのような留め具を作る本当のコツは、作ることではありません。テストに次ぐテストです。振動台に加え、すべての部品は、ミッションの極限状態をシミュレートする試験を受けます。EBAD は、部品をマイナス 100 度まで凍結し、210 度まで加熱します。これにより、飛行中に太陽のまぶしさでヒューズが自然発火することがなくなります。ロケット点火の衝撃波でもボルトがしっかりと保持されることを証明するために、ボルトは、トール級の鋼鉄ハンマーで 6,000 G の衝撃を 3 回受けます。

工程全体を通じて、エンジニアはボルトを何度もチェックする。圧力で変形していないか再度測定する。X 線検査で内部部品がすべて揃っていること、そして正しい位置にあることを確認する。蛍光染料で長さ 0.03 インチほどの小さな亀裂も検出する。EBAD の検査結果が満足いくものになると、製造バッチごとに 9 個ほどの留め具がロッキードと NASA に送られ、そこでさらに過酷なテストを受ける。ハードウェアのどれか 1 つでもテスト結果が悪かったり亀裂があったりすると、EBAD ですべて取り外し、工程を最初からやり直す。

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爆発性の宇宙ボルトの成功を観察する別の方法は、爆発を観察することです。爆発は非常に速く起こるため、爆発を観察することは非常につまらないものです。ほとんど何も見えません。まるで魔法のようです。しかし、魔法ではありません。

爆発を本当に「見る」唯一の方法は、人間の目が自然に見ることのできる速度のほんの一部、少なくとも毎秒10万フレームで再生するスローモーション動画を見ることだ。それでも、電気の電荷が一連の小さな爆発を引き起こし、最終的に圧力カートリッジ内の有機推進剤に点火するなど、多くのことが隠されている。推進剤は、内部の2つのピストンを動かすのに十分なエネルギーを生成する。そして、2つのピストンが互いに激突し、最も重要な破断面が最終的に完全に完全に破壊されるほどの力がかかる。外から見ると、ボルトが引きちぎられているように見える。

宇宙船は、ボルト内部を含め、あらゆるところに冗長性がある。圧力カートリッジは 2 つあり、隣り合っている。主カートリッジが点火しない場合は、電荷が継続して 2 つ目を叩いて点火する。両方が同時に点火した場合 (時々起こる)、シェルは依然として力を封じ込めることができる。

しかし、爆発を起こしただけでは仕事は終わりません。破断自体が問題を引き起こす可能性があります。宇宙では破片は致命的です。ボルトの小さな破片が時速数千マイルでオリオンの周りを飛び回れば、太陽電池パネルを破壊したり、重要な電子機器を突き刺したりして、ミッションを終わらせる可能性もあります。このため、留め具がテストセンサーの間に入り込み、最終的に2つに折れたときに、破片を捕らえるために小さな袋が下からぶら下がっています。ロッキードは破片を分析し、問題を引き起こすほど大きな破片がないことを確認します。スローモーションテープも確認し、破片と宇宙船から飛び出すものの速度をチェックします。

壊れた部品がどこに行き着くかを確実に把握することは、ミッションの最後の瞬間まで乗組員カプセルをゴミ箱型の生命維持装置に固定する最も勇敢なボルトにとって二重に重要です。そのハードウェアの破片は宇宙船に残って、別の重要な機能に貢献する必要があります。ボルトが割れた後、カプセルに残った破片は少し溶けて耐熱シールドの一部になり、余分な熱を放出して、華氏4,000度の地球の大気圏への押し戻し中に宇宙飛行士を保護するのに役立ちます。破片が溶けると、暑い日にアスファルトの上に置かれた氷の塊のように、熱も一緒に運んでいきます。

ケオン氏とEBADのエンジニアたちがこの最後の苦しみを語っている間、私は彼らが私の後ろの会議室の壁をじっと見つめているのに気づいた。天井近くには巻き上げられたプロジェクタースクリーンがある。テスト飛行はボルトが実力を発揮できる唯一のチャンスなので、テスト飛行が行われるとEBADのスタッフはこの部屋に集まって見守る。現在、NASAは2つの大きなイベントに向けて少しずつ動いている。今春、4分間の飛行で緊急着陸の練習をし、2020年には探査ミッション1で無人カプセルを月周回させて帰還させる予定だ。

彼らが最後にこの部屋に集まったのは、2014年、探査飛行試験1号がオリオンを地球の周りを2周させて着水したときだった。名前のないこのミッションは、耐熱シールド、パラシュート、コンピューター、そしてEBADにとって最も懸念される分離など、重要なシステムの試験だった。12月中旬のその日の午後、チームはピザを注文し、ボルトの調子がどうなっているかを見るために夜まで待った。彼らは歩き回って汗をかき、歓声を上げ、疲れ果てたため息をついた。しかし、祝賀ムードも、翌朝に戻る作業、つまりテストや改良によって和らげられた。「ミッションはまだ終わっていない」とケオンは言う。

この記事はもともと、Popular Science 誌の 2019 年春の交通特集号に掲載されました。

訂正 2021 年 10 月 13 日:この記事の以前のバージョンでは、イングランドのコームウォール郡を都市として誤って記載していました。