アポロ1号の火災後もNASAが純酸素を使い続けたのはなぜですか?

1967 年 1 月 27 日、アポロ 1 号の乗組員は、通常の打ち上げ前テスト中に死亡しました。宇宙船内でワイヤーがアークを発し、その火花が加圧された純酸素環境で猛烈な火災に変わりました。18 か月後、アポロ 7 号の乗組員は、改良されたアポロ宇宙船を飛行する最初の乗組員となりましたが、軌道上でヘルメットを外したとき、彼らは純酸素環境でそれを行いました。純酸素環境ですでに 3 人の宇宙飛行士の命が奪われていたのに、NASA はなぜアポロ 1 号の火災後にキャビンの環境を変更しなかったのでしょうか。変更したこともあれば、変更しなかったこともありましたが、結果として生じた変更は、宇宙飛行士の安全だけでなく、冷戦とも関係がありました。

1961 年 5 月 25 日、ケネディ大統領がアメリカに月を約束してから間もなく、NASA は人類を月に運ぶ宇宙船の建造を希望する業界の請負業者に提案依頼書を発行しました。提案書には、宇宙船の環境を混合ガス、つまり私たちが呼吸する空気に似た酸素と窒素の雰囲気にするという条項が含まれていました。1961 年 11 月、NASA はノース アメリカン アビエーションに切望されていたアポロ契約を授与し、この勝利した提案書には混合ガス環境が含まれていました。

しかし、1年後、NASAは考えを変えた。アポロの部品が形になり始めると、重量が急速に問題になってきた。重量は、地球を離れるあらゆるミッションにとって大きな考慮事項である。重い宇宙船は、それを離陸させるためにより大きなブースターを必要とするが、そのブースターが大きすぎると、それ自体が地面から離陸することもできない。アポロの場合、サターンVロケットの第1段は、それ自体とその上のすべてのもの、つまり第2段と第3段、およびコマンドサービスモジュールと月着陸船を地面から離陸させなければならなかった。スタックの上部に余分な重量があれば、全体を月へ向かわせるために、下部にさらに多くの推力が必要になる。

NASA は、酸素と窒素の両方を保持するタンクと、乗組員のキャビンにガスを供給するための関連ハードウェアおよび配管が必要になるため、重量が大幅に増加することを認識しました。複雑であることは言うまでもありません。二重ガス環境を管理するには、ガスバランスのわずかな変化を検出して反応できる高度な感知システムを開発する必要があり、重量も増加します。一方、単一ガス環境は、キャビンが適切に加圧されていることをモニターするセンサーのみを必要とするため、はるかに単純で軽量です。軽くてシンプルなことが、重くて複雑なことに勝り、NASA は当初の決定を覆しました。アポロは、乗組員のキャビンで純酸素を使用して月に行くことになりました。

ノースアメリカン社はこの変更に乗り気ではなかった。請負業者にとって、単一ガスシステムのシンプルさはリスクに見合わないものだった。ノースアメリカン社は、NASA の多くのエンジニアと同様、純酸素環境での火花がたちまち猛烈な火災に発展する可能性があることを知っていた。NASA は、宇宙船内の圧力を指摘して反論した。密度は 1 平方インチあたりわずか 5 ポンドと非常に低く、訓練された乗組員でも対処できない火災は純酸素環境でも発生しない。言うまでもなく、1962 年半ばのこの時点で、NASA は客室内で純酸素を使用して 4 回のマーキュリー計画を問題なく打ち上げていた。壊れていないものをなぜ変更するのか? 複雑な月面ミッションで宇宙船をさらに複雑にする必要はなかった。

最終的に、NASA が最終決定権を持ちました。有人宇宙船センター所長のロバート・ギルルースは、1962 年 8 月 28 日に正式な契約変更通知書に署名し、ガス環境担当官を 2 人から 1 人に変更しました。

ノースアメリカンはNASAの指示に従って作業を進めたが、何事もなかったわけではない。1966年4月、建造中の司令船の環境制御システムで火災が発生し、ハードウェアに重大な損傷が発生したが、これによって乗組員のキャビン環境の問題が再浮上することはなかった。損傷の大部分はキャビン内の商用グレードのストリップヒーターによるものとされ、これは飛行用ハードウェアではなかったため、火災は概ね無視された。しかし、ノースアメリカンは宇宙船内の可燃性物質の量と配置を再検討し、電気システムに可燃性物質が近づきすぎないようにした。また、NASAはノースアメリカンに、液体漏れ、過熱したランプ、露出した布地や発泡体の広い領域から生じる火災の危険を排除するための設計変更をさせた。

しかし、これらの変更は、月面着陸が可能なアポロ宇宙船のブロック II モデルにのみ施されたもので、地球周回軌道を飛行する以前のブロック I モデルには施されていませんでした。そして、アポロ 1 号はブロック I 地球周回軌道飛行でした。そのため、火災当日のアポロ 1 号の宇宙船は、後のモデルよりも耐火性が劣っていただけでなく、火災当日の大気は飛行中のような低密度の純酸素ではありませんでした。宇宙の 1 平方インチあたり 5 ポンドを模倣するため、客室は海面で 16 psi に加圧され、これにより宇宙船と外部環境の間に同等の圧力差が生じました。

これが災難の元凶となった。定期テスト中に、何時間も酸素に浸されていた客室の材料がすべて火花で引火した。乗組員は煙を吸い込んで死亡し、宇宙船は破壊された。

アポロ1号の事故調査を受けて、NASAは宇宙船の純酸素環境を再検討することになったが、よりシンプルで軽量な単一ガスシステムと低密度飛行環境の利点は残った。本当の問題は海面での高圧であり、これは打ち上げ前にのみ発生するものだとNASAは推論した。そこで、鈍体カプセル宇宙船の先駆的エンジニアの1人であるマックス・ファゲットが、NASAが宇宙船の打ち上げ時の雰囲気のみを変更するという提案を行った。彼は、純酸素を、酸素と窒素、または酸素とヘリウムの60:40の混合ガス雰囲気に置き換えることを提案した。この混合雰囲気は、軌道への上昇中に排出され、純酸素に置き換えられる。宇宙船への変更は最小限で済み、乗組員にも影響はない。乗組員は、打ち上げ時に通常通り、各自の純酸素を呼吸することになる。

NASA は 1968 年 3 月 14 日にこの提案を承認し、希釈ガスとして窒素を選択しました。搭載システムが窒素とどのように相互作用するかについては、ヘリウムよりも疑問が少なかったためです。

アポロは、その後深刻な事故を起こすことなく、純酸素を積んで月へ行き、この計画が中止されたとき、NASA はついに宇宙での純酸素の使用をやめた。スペース シャトルと国際宇宙ステーションの計画は、ロシアのソユーズ宇宙船からヒントを得た。ソユーズは 1960 年代から飛行を続け、常に混合ガス環境を使用してきた主力宇宙船である。これら 3 つの環境は、ほぼ海面気圧で酸素 21 パーセント、窒素 79 パーセントと、空気に非常に似ている。

結局のところ、NASA がアポロ 1 号の火災後も同じ純酸素環境を維持するという決定は、月へ予定通りに到着する必要性から来ている。NASA がアポロが 1960 年代末までに飛行して月へ到着する準備が整っていることを保証できたのは、搭載システムをシンプルにし、重量を増やさなかった 2 つの方法だった。打ち上げ環境の変更は、ある意味では、理想的とは言えない状況を最大限に活用し、またアポロ 1 号の宇宙飛行士の死が NASA の前進を後押しした。

出典: アポロ宇宙船年表、マーク・グレイ著『Angle of Attack』、アポロ1号の火災に関する私の古いブログ記事、コートニー・G・ブルックス、ジェームズ・M・グリムウッド、ロイド・S・スウェンソン著『Chariots for Apollo』。