ロケットはなぜ軌道に乗るときに回転する必要があるのでしょうか?

1968 年 12 月 21 日の午前 7 時過ぎに太陽が昇る頃には、人々はすでに海岸に集まり、NASA のケネディ宇宙センター近くの裏道で立ち止まっていました。アポロ 8 号の乗組員はすでに司令船にシートベルトを締めており、太陽の光が辺り一面に広がるにつれ、打ち上げのカウントダウンは着実に進んでいきました。スピーカーから流れる音声は、誘導コンピューターが飛行方位の最終チェックを行っていることを群衆に伝え、そして T-8 秒前に点火シーケンスが開始されたことをアナウンスしました。その日の午前 7 時 51 分、サターン V は発射台からゆっくりと飛び立ち、高度を上げながら加速しました。14 秒後、フランク ボーマン司令官は「ロール アンド ピッチ プログラム」を指示しました。賢明な視聴者は、ロケットが垂直軸の周りを回転しているのを見て、なぜだろうと不思議に思ったことでしょう。ロケットは左右対称に見えたのに、なぜ軌道に乗る前にロールしなければならなかったのでしょうか。そのような観察者は、非常に興味深い質問を自問したことでしょう。

サターン V にロール プログラムがあった理由を理解するには、その旅の始まりである発射台から始めなければなりません。フロリダの発射施設 39 の発射台は、東西南北の基本方位に沿うように建設されました。発射台の下の炎溝は南北を向いており、地球を離れるまでロケットを支えていたアンビリカル タワーはロケットの北側に位置していました。ソファに仰向けに横たわった宇宙飛行士の頭は真東を向いており、つまりコマンド モジュールのハッチも東を向いていました。

ここから、この質問のもう 1 つの重要な部分、つまりサターン V の 3 つの軸を簡単に理解できます。空中を移動する他の機械と同様に、サターン V には、x、y、z 軸という 3 つの軸があり、その周りを回転できます。x 軸は、上から下に走る垂直軸で、ロール軸です。y 軸は、ロケットの中央を南北に走るヨー軸です。z 軸は、y 軸に垂直で、東西に走ります。これがピッチ軸で、次に説明する軸です。

エンジニアたちは昔から、積荷を軌道に乗せる最も簡単な方法は、ロケットを真上に打ち上げ、東に傾けることだと知っていました。これは地球の自転を利用してより効率的な飛行を実現します。しかし、サターン V はアポロを軌道に乗せたのではなく、月へ運んだため、ここで打ち上げが少し難しくなります。

地球の軸は、すべての惑星が回転する黄道面に対して約 23 度傾いています。そのため、地球の赤道を周回する宇宙船は、定期的に黄道の上と下を通過します。その宇宙船と同様に、月も地球を周回しますが、赤道の周りを周回するわけではありません。月の軌道面は地球の自転に対して傾いており、正確な傾きの度合いは月が軌道上のどこにあるかによって変わります。

地球の赤道周回軌道から月まで飛行することは可能ですが、2 つの天体間の傾斜角を変えると大量の燃料が必要になるだけでなく、自由帰還軌道 (月周回から宇宙船が急激に戻ってくる軌道) での飛行が不可能になります。そこで NASA は、月への飛行を簡素化するために、地球の周りの傾斜軌道に宇宙船を乗せて月探査ミッションを開始することを選択しました。そして、ここからがさらに複雑で面白くなります。

特定の月面着陸地点に基づいてミッションの軌道を計算することで、ミッション計画者はアポロ宇宙船が地球の周りでどの軌道に打ち上げられるべきかを正確に把握しました。これは飛行方位角と呼ばれ、単にロケットが目的の軌道に入るために地球の真北を基準に飛行する必要のある方向です。

したがって、打ち上げ方位角は方位角を基準に計算され、ロケットは発射台上で同じ方位角に合わせられます。同時に、NASA はサターン V が単純な「上向きとピッチオーバー」の経路で軌道に乗ることを望んでいました。したがって、解決策は非常に単純です。ロケットを回転させてその向きを打ち上げ方位角に合わせ、単純なピッチ プログラムを開始するのです。そして、サターン V はまさにそれを実行しました。

打ち上げ全体は、サターン V の S-IVB 上段の上にある計器ユニット内の誘導プラットフォームによって誘導されました。このジンバル搭載誘導プラットフォームは、3 つのネストされたジャイロスコープを使用して、事前にプログラムされた方向 (この場合は打ち上げ方位) を保持します。高速回転するジャイロは軸の回転に抵抗するため、ロケットが飛行すると、ジャイロは回転しようとする力を感じ、サーボ モーターが反応してプラットフォームの望ましい方向を維持し、ロケットをその方向に飛行させます。

飛行方位角は、打ち上げ時間と月面着陸地点に基づいて各ミッションごとに計算され、ロケットが内部動力に切り替わった後しばらくして、IU の誘導コンピュータにプログラムされました。この調整は、発射台の真南約 689 フィートにある経緯儀を使用して行われました。経緯儀は、IU の窓から光を照らし、IU を安定させるのに役立ちました。そして、これは非常に興味深い効果をもたらしました。経緯儀によって IU が打ち上げ方位角に保持される前は、IU は自由でした。そのため、発射台のそばに立ってサターン V を丸一日観察すると、実際にはロケットの残りの部分が地球とともに回転しているのに、計器ユニットが完全に回転しているように見えることでしょう。

打ち上げの17秒前、つまり打ち上げの17秒前に、誘導プラットフォームがセオドライトから切り離されました。通常は「誘導は内部です」というコールでしたが、正式にはこの瞬間は「誘導基準の解放」と呼ばれていました。この時点から、IUは何があろうともサターンVを打ち上げ方位に維持するつもりでした。

打ち上げから約 1 秒後、サターン V は最初の飛行操作を行った。ヨー プログラムとは、ロケットを発射塔から遠ざけるように傾けるという、当惑させるような動作であり、離れることができないスイング アームや強い突風からロケットを保護するために設計された動作である。

打ち上げから約 12 秒後、2 回目の操作であるロール プログラムが行われました。この操作により、ロケットのロールは誘導コンピューターによって指定された打ち上げ方位 (通常は 72 度) に合わせられました。次の操作は比較的単純なピッチ プログラムでした。ロケットはゆっくりと水平飛行経路を取り、ロールと組み合わせることで、アポロ宇宙船を月への旅に最適な位置に配置しました。

ロールはロケットの標準的な操作で、正確なロールはペイロードの希望軌道によって異なります。スペースシャトルも打ち上げ時にロールプログラムを実行しましたが、サターン V のような対称柱ではなかったため、ロールははるかに顕著でした。また、シャトルはピッチ軸が東西ではなく南北を向くように発射台に並べられていたため、サターン V よりもはるかに大きなロールが必要でした。

アポロ施設を再利用したシャトルは、ピッチ軸が東西に向くようにサターン V と同じように発射台に置かれた。打ち上げ直後、シャトルは反転位置まで回転し、シャトルの上部が地球を向くようにした。これにより、アンテナが地上の追跡ステーションと通信できる。機体の下部にあるアンテナは、外部燃料タンクと固体ロケットブースターによって遮られていた。そこから、シャトルはサターン V と同じ理由で回転し、特定の軌道の飛行方位に合わせる。

情報源: サターン V ロール プログラムを理解するのに苦労した私に、この難題を解決してくれた David Woods に感謝します。また、出版後にいくつかのぎこちないフレーズやタイプミスを指摘してくれたことにも感謝しています。彼の本を購入してください: How Apollo Flew to the Moon; CollectSpace; NASA; aerospaceweb.org; Apollo 8 timeline; Apollo 8 トランスクリプト。