韓国ロケット「ヌリ号」、初歩的な設計ミスが発覚

迷走韓国宇宙開発史

ちょっと韓国ネタが続いて申し訳無い。これ、前から追いかけているネタなので、どうしても突っ込んでおきたいのである。なお、報道されたのは去年の年末である。ネタが古い点もお許し頂きたい。

2組投入されたヌリ号の初歩的設計ミス..「飛行中爆発しないのが幸い」

入力2021. 12. 30. 03:03 修正2021. 12. 30. 13:59

去る10月21日に発射された韓国型発射体ヌリ号が失敗したのは、初歩的な設計エラーのために明らかになった。政府はヌリ号発射において「衛星を軌道には載せなかったが、全飛行過程は正常に遂行した事実上成功」と自評したが、実際には爆発していないことが幸いなほどの問題を抱えて宇宙に飛び上がったということだ。来年5月に予定された2次発射日程も来年下半期に延期されることになった。

「Daum」より

初歩的な設計ミスね。

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この記事は「惣郷木霊の四方山話」でお送りしております。

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加速度を考慮していませんでしたー☆

重要な環境影響を設計に反映しなかった

何をやらかしたのか、というところに言及していきたい。

関係する記事がこちら。

ヌリ号は韓国政府が力を入れて開発している韓国製ロケットで、その前のロナ号がロシアの力を使って打ち上げている。が、今回のヌリ号は設計から製作まで全て韓国の技術でやるという方針での打ち上げであった。

で、失敗した。

厳密に言うと、3段式のロケットであって1段目と2段目はウクライナ製のエンジン図面を元に拡大して作った韓国製エンジンを使っていて、3段目は情報が少ないのだが韓国製の圧送式サイクルと呼ばれる最も簡単な形式のエンジンを使っていたようだ。出力は7t級と割と小さい。

img

一般的には、他に採用している75t級エンジンに比べて技術レベルの低いエンジンであるとされているが、75t級エンジンはウクライナ製35tエンジン(ガス発生器サイクルという2液推進系ロケットエンジン)が元になった拡大版であるため、「教科書が存在する」エンジンである。

だが、7t級エンジンはそうではなかったようだ。

その結果、重要な環境影響を考慮していなかったらしい。

重力と加速度の影響が考慮されていない

何が起こったのか。

調査の結果、酸化剤タンク内のヘリウムタンクが故障の主な原因となった。三段酸化剤タンクの中には、酸化剤とともにヘリウムタンク2個が入っている。エンジンが燃焼しながら酸化剤が減少するが、ヘリウムは酸化剤タンク内部圧力を維持する役割である。こうして酸化剤が常にエンジンに供給される。

ヘリウムタンクは、液体状態の酸化剤の中で浮遊しないように、酸化剤タンク内に固定装置で束ねられた。しかし、ヌリ号の飛行中にヘリウムタンクに加わる液体酸素の浮力が大きくなり、固定装置が解け、離れて出たヘリウムタンクが酸化剤タンクの中を歩き回り、内部に亀裂を出して結局酸化剤が漏洩したことが調査された。

「Daum」より

どうやら、固定されていたはずのヘリウムタンクが暴れて、酸化剤タンクを破壊してしまったらしいのである。

酸化剤は燃料を燃焼させるものだが、その加圧ラインに問題が生じて酸化剤が漏れ出し、エンジンに十分供給されなかったのだ。

「朝鮮日報”「ヌリ号第3段エンジンが46秒早く止まったのは酸化剤ラインの漏れが原因」”」より

前にはこんな分析がされたと報道されていたが、「加圧ライン」が問題だったのではなく、酸化剤のタンクそのものに問題が生じたらしい。

原因は航空宇宙研究員の不具合のない設計ミスだった。浮力は加速度に比例して大きさが大きくなる。ヌリ号は1段飛行中重力の4.3倍となる途方もない加速度が発生した。それだけ浮力も大きくなったのだ。しかし、抗偶然研究陣は飛行中の浮力上昇を最初から考えなかったことが分かった。抗偶然副院長は「(地上で)重力によって発生する浮力は考慮したが、飛行中の最大加速度に対する浮力は考慮していない間違いがあった」と話した。このため、ヘリウムタンク固定装置を十分に堅く設計しなかったのである。

「Daum」より

何というか、設計段階では割とこの手のミスは発生しがちではある。後から考えれば、加速度による浮力(ヘリウムガスによる浮力)の変化くらいは考慮して然るべきだと思うのだが、設計中は案外抜けてしまう事がある。ただ、当然この手の設計ミスがあるだろうという前提でチェックがなされ、最終的には問題の無いレベルの設計に収まるものである。

そして、こういった問題点の洗い出しというのは、経験がモノを言う部分が大きい。十分にロケットの設計を経験した設計者であれば、出来上がったモノを見て「必要な強度が足りない」ということは感覚的に分かるものである。

したがって、「初めての設計」という意味では、責められない部分はある。ただまあ、イージーなミスであるのは事実だ。残念だったね。

あり得ない失敗?

ただ、これに対する評価は厳しいようで。

ある航空宇宙工学科教授は「地上での条件だけを考慮して設計したのは非常に初歩的なミス」と話した。開発に1兆9572億ウォンが投入されたヌリ号が、あえない設計のせいで失敗したのだ。

「Daum」より

こういうのを後知恵というのである。

確かに「非常に初歩的なミス」ではあるし、亀裂の入るタイミングによってはロケットが爆発四散した可能性は否定できない。

今回の調査でヌリ号1段ロケットが分離される前の飛行初期からこのような異常が感知されたという事実も明らかになった。飛行後36秒で異常な振動が測定され、3段エンジンのヘリウム漏れが始まった。ヘリウムタンクの固定が緩み、配管がねじれて現れた現象によるものと推定される。また67.6秒で酸化剤タンク圧力が低下し、その後115.8秒にはヘリウムタンク圧力が下降した。いずれも1段ロケットが分離される前に発生したことだ。

「Daum」より

なるほどー。

飛行後36秒で「異常な振動が測定」とあるが、この時点で許容強度を超えてしまったということらしい。ロケットの速度はツィオルコフスキーの公式などを用いて算出できるため、ロケットの重量や燃料の使用量など必要な数字が分かれば高校生でも計算ができる(自然対数を用いるので、理系限定かな?)。

大雑把な話をすると、ロケットの打ち上げ時にかかる加速度は概ね3Gくらいので、安全率が高めにとってあれば問題なかったのだが……、ここがロケットの設計の難しいところで、航空宇宙分野では安全率は低く(1.5程度)に設定されるのが常(重量が価格にダイレクトに反映するため、出来るだけ安全率を低く見積もる)である。だから、地上で使う場合と同じ強度で設計すれば、当然ながら加速度や振動によって脆くも破壊されてしまう。

収集した振動資料を音響に変えて聞いてみると、タンク内部でぶつかって掻く音が捕捉されたという。全体飛行過程を経て酸化剤漏洩が続いたという意味だ。

「Daum」より

後からデータを分析したら分かった、ということだが、1段目のロケットの燃焼中にガス漏れが始まっていた証拠があるので、下手すれば爆発四散した可能性があるということになる。

引き揚げ調査を行ったわけではない

ただ……、このニュースで気になったのは、実物を見て判断したワケではなさそうだということだ。

問題となったタンクはこれのようだが、打ち上げ前の写真である。

これを受け、調査委員会は「ヌリ号が宇宙に打ち上げられる過程でヘリウムタンクに加わる液体(酸化剤)の浮力が上昇し、固定装置が外れてヘリウムタンクが下部固定部から離脱したと推定される」と説明した。

「中央日報」より

こういった調査では、使い終わったロケットの部品を調査して、この「推定」を確認する必要があるのだが、ヌリ号の残骸を回収したというニュースはついぞ見ていない。

いや、残骸を回収して調査した可能性もあるが、異常な振動の発生や圧力低下から推定した可能性の方が高そうである。そうだとすると、果たして原因はそれ1つだったのか?

まあ、次打ち上げてみれば分かるのかも知れない。

次のロケット打ち上げは延期

当然、こうしたミスが発覚したために、ロケットの総点検をするということになって、その時間を稼ぐために延期する話が出てきている。

来年5月に予定されていたヌリ号2次発射は下半期に延期されるものと見られる。課期正統部巨大公共政策官は「5月の発射は難しい」とし「下半期中は十分に可能であると内部的には見ている」と話した。過期正統部と抗偶然はヘリウムタンク固定部と酸化剤タンクの構造を強化する計画だ。

「Daum」より

これ、去年の話なので、2022年5月の打ち上げが延期されたという意味で、「下半期くらいになるんじゃないかなー」との観測が出ている。

なるほど、単純に強度不足であれば部品交換をすれば良いという話になりそうだが、構造強化は重量増加に繋がるので、多分そんな単純には終わらないだろう。何処かの重量を削ることができるか、構造強化を形状だけで対応出来るのであれば良いが、総点検したら他の所もという事は出てくる可能性はある。

専門家たちは「宇宙開発では小さなミスも大きな失敗につながるということを示した結果」と話した。今回のヌリホ開発で、抗偶然は75t級エンジン4つを結び、1つのエンジンのように作動させる1段エンジンクラスタリング技術を最も難しいと見て、ここに研究能力を集中してきた。だから、3段7t級エンジンは相対的に点検を無視したのではないかという指摘が出ている。イ・チャンジン建国大学教授は「1段に集中してみると、3段は大きく問題にならなかっただろうと考えて点検が未進だったようだ」とし「このような問題を正すことができるシステム的な補完が必要だ」と話した。

「Daum」より

難しい技術の方に気をとられていて、簡単な方のエンジンは見過ごしちゃったという言い訳をしているのが見苦しい。

頑張って、点検し直してくれ!

追記

見逃していたニュースだが、概略図が紹介されていたので追記しておきたい。

【社説】基礎設計ミスがもたらした韓国型発射体ヌリ号の打ち上げ失敗

2021.12.31 11:03

10月21日、韓国ヌリ号の打ち上げ1回目の失敗原因が初歩的な設計ミスとこれを発見できなかった検証システムのためだったことが明らかになった。

「中央日報」より

冒頭の記事の翌日により詳細な内容が出ていたようだ。

これがヌリ号の内部模式図なのだが、酸化剤タンクの中に固定されていたヘリウムタンク支持構造物が破損したというのが今回の問題だったようだ。

科学技術情報通信部と韓国航空宇宙研究院(航宇研)が今月29日、「ヌリ号打ち上げ調査委員会」を通じて明らかにしたものによると、ヌリ号の打ち上げ失敗は第3段酸化剤タンク内部の固定装置が解けてヘリウムタンクが取れ落ちて、内部の構造物と衝突して、亀裂が生じたことが原因であることが分かった。ヘリウムタンクは酸化剤が燃焼するとき、タンク内部の圧力を維持する役割を果たす。だが、第3段タンクの亀裂によってヘリウムと酸化剤が漏洩してエンジンに入る酸化剤の量が減り、このせいでに第3段エンジンが予定よりはやく止まってヌリ号が目標の速度と軌道に達することができなかった。

「中央日報」より

タンクの中にタンクを固定する発想がそもそも理解できないのだが、そこはまずさておこう。

第1・2段ヘリウムタンクには何の問題もなかったが、第3段だけに問題が生じたのは酸化剤タンクの構造の違いのせいだと航宇研は明らかにした。第1・2段の酸化剤タンクは細長いシリンダーの形をしているが、推進力が小さな第3段は円筒形をしている。このためにヘリウムタンクを付着する方式で第1・2段と第3段に違いが生まれた。この過程で飛行中に発生する浮力をまともに計算することができず、第3段ヘリウムタンクが取れ落ちたというのが航宇研の説明だ。結局、タンク固定装置設計過程で初歩的な設計ミスがあり、発射体開発本部内の誰もこのような誤りに気づかなかったということだ。

「中央日報」より

問題は、1段目、2段目のタンクと3段目のタンクの構造が全く違うということである。もちろん、必要があってそのような設計になったとは思うが、3段目タンクだけ別の形にしたならそこだけで構造計算はするように思うのだが。

やらなかったのだろうね。

コメント

  1. 初歩であれなんであれ、あらゆる実験はより多くのエラーを収集する方が主目的。だと思いますので、この貴重な失敗を良しとできるか否かに、今後の韓国の宇宙開発の発展がかかっているのでしょうね。…どうも成功からしか学ぼうとしない悪癖があるような気はしますけれど…今後の頑張りに期待したいところです。

    • そうなんですよね。
      何であれ、トラブルが発生してしまったことは仕方が無いと思います。
      寧ろ、これを糧として宇宙開発を続けていくことが大切なのでしょう。ただ、韓国の身の丈に合っているか?というと、これまた別の話になりますが。

  2. 儒教的修辞で真実を捻じ曲げるのが伝統芸能の国です。
    偶然成功するまで失敗するだけでは?

    • 結果的に成功すればプロセスは問わないのが韓国です。
      何処かから技術をパクってきても、偶然でも、成功ならばOKなのでしょう。なんなら、成功したという事実だけあれば良いのかと。

  3. 木霊さん、おはようございます。

    打ち上げ時には1・2段目成功したんだから、3段目失敗は大したことじゃないとかホルホルしてたはずですよね。
    だから、年末にこのニュースを見て違和感というか唐突な感じがしました。

    言える事は文クンのメンツ丸潰れなのは確実で、レームダック状態の文クンに忖度する必要はなくなったと関係部署・メディアが判断したのかな。

    でもまあ意外と早く原因らしきミス(初歩的)が判明したから良かったんじゃないかなァ~。
    とはいっても前途多難を暗示させる出来事で、果たして2号機打ち上げ延期を半年くらいでいいのかなァ~。

    さて、3段目は7t級の推力とありますが、例えば日本のH2Aと比べてペイロードの差がイマイチ判りません。
    H2Aは数個の小型衛星を搭載可能と思いますが、ヌリ号ではどうなんでしょうね。

    • この3段目の失敗、技術的にたいした事は無い話なのですが、事の本質は単純な要件を見落としていた事そのものである様に思っています。
      技術の積み上げ、経験の積み上げという観点で言えば、この失敗を教訓とすればイイと思うのですが、そもそも設計時点でこの程度のポカミスをスルーしてしまったことが問題なのかと。

      それと、ペイロードの話ですが、ヌリ号は軌道投入能力が低軌道に1.5tです。H2Aロケットは軌道投入能力が低軌道に10t(ブースター付きで15t)、静止移行軌道に4t(ブースター付きで6t)であります。
      つまり、ヌリ号では小型衛星を静止軌道に投入することが出来ず、低軌道にギリギリアプローチできるレベル、それも1.5tなので簡易な衛星しか打ち上げられません。例えば気象観測衛星ひまわり(初号)は0.6tクラスですが最新の9号は3.5t(打ち上げ時)です。ただ、静止軌道(高度約35,786km)に打ち上げられていますから、低軌道(高度2,000km以下)に1.5tでは話になりません。要するに、ヌリ号ではひまわり初号すら打ち上げられないのです。実用レベルに至るには、もう少し努力が必要なようですよ。

      • 木霊さん、おはようございます。

        ペイロードの件、具体的に説明頂きありがとうございました。

        >要するに、ヌリ号ではひまわり初号すら打ち上げられないのです。実用レベルに至るには、もう少し努力が必要なようですよ。

        月に人を着陸させるにはまだまだ道は遠いようですねェ~。

  4. こんにちは。
    ロケット打ち上げは失敗してナンボ、こういう経験を積み重ねてのノウハウの蓄積がキモ、なんですが。
    どうにも、お隣の国はその辺が不得意ですよね……
    リバースエンジニアリング(意訳)で基礎技術を簡単に手に入れちゃったから、その部分で蓄積されたはずのノウハウがすっぽり抜けているというか。
    今回のこれも、原因が確かにそれだとして、実機の回収は困難でしょうけど、二号機使って実物で荷重試験とか破壊試験とか今からでも出来るだろうし、実際JAXAはH2の事故でもH3のエンジントラブル(燃焼試験でポンプが異常振動出した奴)でも同様の検証をしているはず。
    その辺をすっ飛ばしちゃうのか、今度こそキチンと検証するのか。
    ロケット好きとしては、キチンと打ち上げて欲しいところではありますが。

    にしても。
    酸化剤関係は、1発爆散の可能性があるので、ホント勘弁して欲しいです。

    • 韓国の場合は、成功事例が突然出てきます。
      つまり、技術は他国から持ち込むモノであって、自国で開発するものではないというのがスタンダードな考えなのです。
      最近はそうではなくなってきていると言われますが、そういう考えが未だに残っている事が問題なのでしょうね。

      爆発四散リスクが残っていたこと、そして、幸運にもそうはならなかったことは、韓国にとって良かったのか、悪かったのか。それは次回以降に分かるかも知れません。

  5. 圧送式ロケットエンジンのヘリウムガスタンクは普通は酸化剤タンク内に収めないと思うのですが韓国の技術陣は何を参考に開発したのでしょうか?
    サイロに格納する弾道ミサイルだと全長を抑えた上でペイロードの容積を確保するために酸化剤タンク内に収めるという方式も考えられますが普通のロケットで調整や最終点検がしにくくなりそうなのに酸化剤タンク内に収めた理由がよくわかりません。

    あとヘリウムガスによる圧送式エンジンの場合には断熱膨張による過冷却で圧力が低下しないようにガスタンクを加熱したりして圧力が下がらないようにする必要がありますがその辺の対策も酸化剤タンク内部だと難しい気がします。(おもちゃのガス銃が連続射撃するとガスタンクが冷たくなって弾が飛ばなくなるやつと同じ現象です)

    • 圧送式ロケットエンジンのヘリウムガスタンクを、何故、酸化剤タンク内に収めたのかはよく分かりません。というか、記事を書いていて、「何故そうなのか」が理解出来なかったのですが、もしかしたらロケット開発ではありなのかなと、そんな風に思っていました。

      ご指摘の様に、最終点検時にヘリウムガスタンクの点検は出来ないという事になりそうですよね。
      なにかこう、一石二鳥的な発想で、ヘリウムガスタンクを酸化剤タンク内に収めたかも知れませんが、リスクは高まりそうです。タンク構造的に、内圧が同じ力でかかっているのであればかなりの圧力に耐えられるのでしょうが、一部に大きな力がかかった時にはその限りではないよと言うことに。そりゃ、酸化剤タンク内でヘリウムガスタンクがプカプカと浮いていたら、何かの拍子に酸化剤タンクを突き破りそうですよね。

      • 木霊様 Rodney様

         周回遅れコメントですが(^^; これはK国あるある。チャレンジ不要なところでチャレンジャブル設計を行ったor強いられた。のではないでしょうか?
        何せK国宇宙予算は「チャレンジ要素が少ない」という理由で議会却下されるらしいですし。。。ある航空宇宙工学科教授は後出しジャンケンで初歩的ミスと宣ってますが単体打上試験もなしに、爆散回避出来たのは大した成果とも言えるのではないかと。

         以下上記チャレンジ技術を個人的に推定します。

        ヘリウム圧送式の最大のメリットはシンプルさ、デメリットはタンクの要求耐圧が高いこと。そこでデメリットを解消するため内側タンク耐圧が下げられるタンクinタンク方式とし、その分ロケット重量を減らせるチャレンジ技術を狙った。 

        、、、しかしこれRodneyさんご指摘の問題に加え、燃料注入時や燃焼末期の制御やフェイルセール構造が過剰に複雑化し、もちろん制御失敗すれば爆散することが容易に推定され、ヘリウム圧送式メリットが帳消しどころかマイナス。浮力問題も安全率を取れば重量低減メリットがなくなるため、ギリギリのバランス設計で、しかし実験パラメータ不足で失敗した。と推定します。

         。。。ところで比較して、北朝鮮ミサイルの成功率は異常ですね。

         半島の技術者達は、リアリストの独裁トップの下での方が力を発揮出来るのかな?(類似例:サムソン電子半導体)、、、
        (失敗例:儒教の名を借りた猿山マウント取り合戦を繰り広げる議会がトップ)

      • タンクinタンク方式にそんなメリットがあったとは!
        確かに外側のタンクで圧力コントロールされるので、内側のタンクは耐圧性を高める必要が無くなるメリットが出てきそうですね。それはなかなかのメリットのように思えます。ただ、メンテナンスどうするんだ問題は残ったままですが。
        そして外側のタンクはイラン構造物が付くので、その部分の強度が弱くなりそうな。

        北朝鮮ミサイルの成功率は、北朝鮮が「成功」と言えば成功になるので、高くも低くも出来ますね。その実態はハッキリしませんが。

    • >そんなメリットがあったとは!
       でもご指摘のように、メリットと言っても原理的なもので、、、燃料満タン時に何らかの原因で外タンクの圧が抜けたら内タンクが破裂する。ぐらいまで安全率削らないと恐らく軽量化は不可能。
       ガス圧送式の、シンプル、確実動作、メンテ容易、高ロバスト と言ったメリットをほぼすべて失った 狂った設計 としか言いようのないシロモノと思えます。
      自分の推定とは言え、ほんとにそこまでしてるのかなあ?

  6. 木霊様、皆さま、今日は

    私の経験では「ミスは全て初歩的」でしたよ。ロケットではないけど。
    難しいと判っている部分は注意深く作るし、単体での確認、実験を繰り返します。なので、難しい部分はトラブルの原因にはなりにくい。

    ・・・コレ、簡単。チョイチョイと図面にして出来上がり。みたいな部分でミスをする例が多い。

    ところで、1、2段目も成功とは言い難いように思えますが・・・。

    • 僕の体験した設計現場でも、「何故こんな初歩的なミスを」という話が多かったように思いますよ。
      したがって、確かに「ミスは全て初歩的」というのは納得のお話なのですが、それ故にポカヨケ(作業者がミスをしにくい設計)と言われる設計思想が求められたいた様に思います。設計そのものに直接関わる話とは言えませんが。

      そして、1段目と2段目の話なんですが、未だミスがあったかどうか報道されていないだけなのでしょうね。
      まさかタンクのステーだけ強度不足という事も無いでしょうから、別の部分でも心配な箇所は出てきそうです。ただ、それを潰すための試射なので、まあ、現時点で判明したことは良かったのかなと思います。