アポロ13号の惨事の原因

アポロ 11 号を除けば、アポロ 13 号はおそらく NASA の月面着陸計画の中で最もよく知られているミッションです。成功した失敗と呼ばれるこの 3 回目の月面着陸ミッションは、酸素タンクが爆発して宇宙船が機能しなくなったため中止されました。アポロ 13 号ミッションの再現の多くは、その後に何が起こったか、NASA のエンジニアと技術者が乗組員を無事に帰還させるために 24 時間体制で作業したことに焦点が当てられています。しかし、この物語には、あまり知られていない別の側面があります。打ち上げ前に宇宙船に何が起こり、そもそも大惨事のきっかけとなったのか?

災害の振り返り

アポロ13号は、1970年4月11日土曜日の午後1時13分に、船長のジム・ラヴェル、月着陸船パイロットのフレッド・ヘイズ、司令船パイロットのジャック・スワイガートを乗せて打ち上げられた。そして、それは完璧ではなかった。打ち上げから5分半後、S-II第二段中央のJ-2エンジンが予定より2分早く停止し、乗組員は宇宙船の振動を感じた。推力の喪失を補うために、残りの4つのS-IIエンジンが34秒間長く燃焼し、第三段S-IVBはさらに9秒間燃焼して宇宙船を軌道に乗せた。アポロ13号はすぐに軌道に戻り、次の2日間はこれまでのどのミッションよりもスムーズな飛行となった。打ち上げから46時間43分後、休憩時間から乗組員を起こした直後、当直のカプコン（おそらくジャック・ルースマ）は乗組員に物事が順調に進んでいることを伝えた。 「我々が知る限り、宇宙船は実に良好な状態だ、ジム。我々はここで退屈しきっている。」

退屈でなくなったのは、わずか 9 時間後だった。打ち上げから 55 時間 54 分後、円筒形のサービス モジュールに収納されている極低温酸素タンクを定期的にかき混ぜた後、乗組員は宇宙船全体に衝撃が走るのを感じた。制御パネルの注意および警告灯が点灯した。メイン B バスの電圧低下警告が発せられ、宇宙船に電力を供給する 2 つの電気ユニットのうち 1 つが低下していることが判明した。2 分以内に、メイン バス A の電圧低下も発生した。燃料電池は電力を供給していないようだった。最初の通話から 14 分後、司令官のジム ラヴェルは、酸素タンク 2 が空であることをカプコン ロウスマに伝えた。窓 1 の外を見ると、司令官は宇宙船が宇宙にガスを放出しているのが見えた。

損傷したサービスモジュールの写真と事故後の分析により、酸素タンク 2 が爆発し、その衝撃で宇宙船のパネルが剥がれ、その過程で酸素タンク 1 が損傷したことが明らかになりました。この 2 つのタンクは、酸素と極低温で保存された水素を組み合わせた 3 つの燃料電池を介して、乗組員に空気と電力を供給していました。酸素供給がなければ、空気も電力もありませんでした。乗組員はガムドロップ型のコマンドモジュールの電源を切らざるを得ませんでした。地球への再突入に備えてバッテリーを節約する必要があったためです。そして、ミッション期間中、月着陸船を救命ボートとして使用しました。

今ではほとんど残っていない機内消耗品を巧みに利用することで、乗組員は月を周回して地球に帰還するのに必要な 4 日間を生き延びた。乗組員は 4 月 17 日に着水した。2 日後、NASA はアポロ 13 号で何が起こったのかだけでなく、二度と同じことが起こらないようにするにはどうすればよいかを探るため、タスク フォースを結成した。飛行後の調査では、酸素タンク 2 (シリアル番号 10024X-TA0009) の履歴に焦点を当て、通常の手順中にタンクが破裂した理由を解明した。

酸素タンク 10024X-TA0009 の寿命と発射前時間

1966 年 2 月 26 日、アポロ宇宙船の請負業者であるノース アメリカン アビエーションは、サービス モジュールの極低温ガス貯蔵タンクの契約をビーチ エアクラフト コーポレーションに授与しました。ビーチが開発した酸素タンクは、内殻と外殻、そしてタンクへの出入りの経路 (液体、電力、信号を運ぶライン) を囲む上部のドームを備えた球形構造でした。シェル間の空間とドーム エンクロージャの内側は断熱材で満たされていました。タンク内には 2 つの薄い円筒形のユニットがありました。1 つは加熱コイルと 2 つの小型ファンを備えたヒーター チューブで、タンクの内容物をかき混ぜて成層化を防ぐように設計されています。安全対策として、加熱ユニットのサーモスタット スイッチは、タンクの温度が華氏 80 度に達するとタンク回路を開きます。タンク内のもう 1 つのユニットは、タンク内の液体の量を測定するための量プローブです。組み立てられ、タンク構造が溶接され、内部のユニットが所定の位置にボルトで固定されると、タンク内で何が起こっているかを見ることは不可能でした。

酸素タンク 10024X-TA0009 の製造は 1966 年に始まりました。ビーチでの最初のテストで小さな欠陥が見つかりました。タンクは分解され、ヒーターとファンが交換され、タンクは再組み立てされました。テストが再開され、タンクにはまだいくつかの問題がありましたが、合格と判断され、1967 年 5 月 3 日にノースアメリカンに出荷されました。これは酸素タンク 10024X-TA0008 とペアにされ (各アポロ宇宙船には 2 つの酸素タンクがありました)、酸素棚 0632AAG3277 に取り付けられました。1968 年 6 月 4 日、棚はアポロ 10 号ミッションに割り当てられた車両であるサービス モジュール 106 に設置されました。

サービス モジュールのシステム全体の一部としての酸素タンク棚アセンブリのテストでは異常は見つかりませんでしたが、無人のアポロ ミッションで、タンクのドームに設置されたポンプの設計に欠陥があることが判明しました。この欠陥は深刻で、飛行前にすべてのユニットを改造する必要がありました。宇宙船 106 のユニットを交換するために更新された酸素棚が承認されたため、棚 0632AAG3277 は別の宇宙船に取り付ける前に取り外して改造する必要がありました。

棚の取り外しは 1968 年 10 月 21 日に行われましたが、これは少々難しい作業でした。必要な配線が切断され、棚を固定しているボルトが取り外された後、クレーンから吊り下げられた固定具が棚の下に設置され、棚をゆっくりと持ち上げて宇宙船から取り出しました。しかし、ボルトの 1 つが取り外されておらず、タンクを持ち上げたときにボルトに引っかかってしまいました。固定具が壊れ、棚が約 2 インチ落下し、元の位置に戻りました。外れたボルトは取り外され、タンクを取り外す 2 回目の試みは成功しました。

誰もこの事故を深刻に考えませんでした。エンジニアは 2 インチの落下に伴う力を計算し、落下時にタンクが損傷を受ける可能性は極めて低いと判断しました。(落下したタンクの軌道が修正されたのは後になってからで、タンクのキャップが酸素棚の上に設置された燃料電池棚にぶつかり、落下後に元の位置に戻る際に跳ね返った可能性があります。) タンクは更新され、1969 年 1 月には棚がサービス モジュール 109 に設置されました。1 か月後、宇宙船はアポロ 13 号に割り当てられました。

1970年3月、アポロ13号の打ち上げに向けてNASAのケネディ宇宙センターでカウントダウンの実証試験が行われていたとき、酸素タンク2で問題が浮上した。技術者はタンクを問題なく加圧できたが、設計どおりに空にならなかった。この問題は、充填ラインと量プローブの間の経路に漏れがあり、ガス状酸素はタンクから排出できても、液体酸素が漏れるのを防いでいる可能性を示唆していた。同じ異常が2回目の充填および排出試験でも発生した。タンクを空にするため、NASAはタンクのヒーターとファンを使ってタンクを加熱し、酸素を蒸発させることにした。技術者はファンとヒーターを稼働させたまま、タンクの充填と減圧をサイクルで行った。アポロ 13 号の打ち上げ予定日の 12 日前の 3 月 30 日の充填テストでも同じ問題が発生しました。両方の酸素タンクは問題なく充填できましたが、タンク 2 はテスト終了時に空にするためにヒーターとファンをオンにする必要がありました。それでも問題なく充填できました。それが重要でした。タンク 2 のヒーターについてはまったく考慮されず、問題のある酸素タンクを搭載したままアポロ 13 号を打ち上げるという決定が下されました。

複雑化する問題

結局、タンク 2 のヒーターが問題の大きな原因だったことが判明しました。アポロ 13 号が無事に帰還した後のテストで、ヒーターが 65 ボルトの電源で稼働していたときに、加熱ユニットのサーモスタット スイッチが故障したことが判明しました。この電源は、ケネディ宇宙センターの技術者がヒーターを稼働させた状態でタンクの給油と排出のサイクルを実行するときに使用していたものです。スイッチは、宇宙船のより低い 28 ボルトの電源で使用するように設計され、最適化されていました。ケネディ宇宙センターでの打ち上げ前テストでは、これらの安全スイッチは動作しない状態のままでした。タンクの排出テスト中にヒーターが一度に何時間も稼働していたため、タンクの温度が華氏 1,000 度まで上昇し、その過程でタンクの絶縁材が損傷し、配線がショートしやすくなる可能性があります。

宇宙船が収集し保存した電気データを読み取って、検討委員会はアポロ13号のミッション開始から55時間55分後に何が起こったかを再現することができた。スワイガートが低温撹拌を開始したとき、ファンを作動させるためにタンクに流れ込んだ電流によって、タンクの電気システム全体がショートし、配線間にアークが発生した。この液体と化学反応を起こす素材で作られた超臨界酸素で加圧されたタンクでは、絶縁体が損傷していたため、アークによって燃焼が発生し、爆発的な勢いで急速に広がった。タンク2はタンク1の重要な部品を巻き込んで破壊され、アポロ13号はミッションを完遂できなくなった。

この事故は、戦車の全寿命期間にわたる人為的ミスと設計上の欠陥という異例の組み合わせが原因であると公式に認定された。

アポロ 13 号の惨事を受けて、サービス モジュールの極低温酸素システムの内部構造にかなり重要な変更がいくつか加えられました。タンクをかき混ぜるためのファンは削除され、量測定プローブはアルミニウム製からステンレス鋼製に変更されました。タンク加熱ユニットは、3 つの独立した要素を個別に操作できるように変更されました。タンク 2 で故障したサーマル スイッチは完全に削除されました。最後に、ファンに関連するすべての配線は酸化マグネシウムで絶縁され、ステンレス鋼で覆われました。システム全体にも変更が加えられました。3 つ目の極低温酸素タンクが、緊急電源を供給するための補助バッテリーとともにサービス モジュール内に設置されました。最初に改訂されたサービス モジュールである宇宙船 110 は、1971 年 2 月にアポロ 14 号で飛行しました。すべての変更は完璧に機能し、NASA の 3 回目の月面着陸ミッションでサービス モジュールに大きな異常はありませんでした。

おもしろい事実: アポロの飛行ディレクター、ジェリー・グリフィンは、ロン・ハワード監督の 1995 年の映画「アポロ 13」の技術コンサルタントを務めました。グリフィンによると、ハワード監督は、実際には物事はもう少し秩序だったのに、混沌とした感じを増し、全体的に慌ただしい雰囲気を醸し出すために、廊下を走り回る人々などの背景の動きを加えたそうです。彼らは結局、プロだったのです!

出典: アポロ 14 号ミッション レポート付録 A、アポロ 13 号審査委員会 (プレーン テキスト)、アポロ 13 号技術空対地音声トランスクリプト (プレーン テキスト)。また、興味があれば、アポロ月面ジャーナルのアポロ 13 号のエントリもご覧ください。驚くべき情報が満載です。