スペースシャトル計画に対する批判

スペースシャトル計画に対する批判は、 NASAのスペースシャトル計画が約束されたコストと実用性の目標を達成できなかったこと、そして設計、コスト、管理、安全性の問題に端を発している。[ 1 ]根本的に、この計画は宇宙へのアクセスコストを削減するという目標を達成できなかった。スペースシャトルの1ポンドあたりの増分打ち上げコストは、最終的に使い捨てロケットのコストよりもかなり高くなった。[ 2 ] 2010年、スペースシャトルの低地球軌道（LEO） への1飛行あたりの増分コストは4億900万ドル、つまり1キログラムあたり14,186ドル（1ポンドあたり6,435ドル）であった。対照的に、同等のプロトン打ち上げ機のコストはLEOまで1億4100万ドル、1キログラムあたり6721ドル（1ポンドあたり3049ドル）、ソユーズ2.1は再利用できないにもかかわらず5500万ドル、1キログラムあたり6665ドル（1ポンドあたり3023ドル）でした。[ 3 ]

すべての設計および保守コストを考慮すると、スペースシャトルプログラムの最終的なコストは、すべてのミッションの平均でインフレ調整後（2008年）、打ち上げ1回あたり15億ドル、またはLEOへの打ち上げ1キログラムあたり6万ドル（1ポンドあたり2万7千ドル）と推定されました。[ 4 ]これは、1972年のドル換算でペイロード1キログラムあたり260ドル（1ポンドあたり118ドル）（2019年のインフレ調整後、1ポンドあたり約554ドル）と当初想定されていたコストとは対照的です。[ 5 ]

「スペース シャトルは、毎週の飛行率でコスト効率がよいように設計されましたが、これは決して実現可能な目標ではありませんでした。」 -マイケル D. グリフィン、NASA長官、2007 年、Aviation Week。

シャトルは軌道上の衛星や宇宙ステーションへのサービス提供という目的を果たしたが、シャトルの故障に伴う数年にわたる打ち上げ中断などにより、宇宙への定期的かつ確実なアクセスを実現するという当初の目標を達成することはできなかった。衛星打ち上げという任務において、シャトルは使い捨てロケットほど経済的ではなかった。[ 6 ] NASAのスペースシャトル計画の慢性的な高コスト化に起因するNASAの予算圧迫により、アポロ計画以降、NASAによる低軌道を超える有人宇宙飛行は中止され、無人探査機の使用も大幅に削減された。[ 7 ] NASAによるシャトルの推進と依存は、1986年のチャレンジャー号の事故後まで、国内の商用使い捨て打ち上げ機（ELV）計画を停滞させた。[ 8 ]

5機の宇宙船のうち2機が事故で破壊され、14人の宇宙飛行士が死亡し、宇宙飛行における最大の人命損失となった。[ 9 ]

システムの目的

「宇宙輸送システム」（NASAによるシャトル計画全体の正式名称）は、乗組員とペイロードを低地球軌道に輸送するために開発されました。[ 10 ]このシステムにより、シャトル内で科学実験を実施し、宇宙飛行が人間、動物、植物に与える影響を研究することが可能になります。また、宇宙でどのように物を製造するかを研究する実験も行われます。さらに、シャトルは宇宙飛行士がシャトルから衛星を打ち上げたり、すでに宇宙空間にある衛星を修理したりすることも可能になります。[ 11 ]シャトルは、無重力状態に対する人間の反応を研究するためのものでもあります。[ 12 ]

シャトルは当初、週1回の打ち上げが可能で、償却により打ち上げコストが低い宇宙船として宣伝されていた。開発コストは、宇宙への頻繁なアクセスによって回収されると予想されていた。これらの主張は、米国議会から予算を獲得するための取り組みの一環としてなされた。[ 13 ] 1981年以降、スペースシャトルは宇宙旅行に使用され始めた。しかし、1980年代半ばまでに、シャトルミッションを何度も飛行させるというコンセプトは非現実的であることが判明し、予定されていた打ち上げの期待は50％削減された。[ 14 ] 1986年のチャレンジャー号の事故の後、ミッションは安全レビューを待つ間中断された。この中断は長くなり、プログラムの資金と安全性をめぐる議論が続いたため、最終的には3年近く続いた。最終的に、軍は代わりに使い捨ての打ち上げ機の使用を再開した。[ 12 ] 2003年にコロンビア号が失われた後、ミッションは再び中断されました。コロンビア号の最初の軌道飛行から30年間で、平均して約3か月ごとに1回のペースで135回のミッションが実施されました。

費用

予想よりも運用コストが高くなった理由は次の通りです。

  • NASAは、設計プロセスへの米空軍の意見提供と引き換えに、米空軍の予算から資金を確保した。米空軍の極軌道へのペイロード打ち上げというミッションを達成するため、米空軍は非常に大きなクロスレンジ要件を主張した。そのため、シャトルには当初の設計のスタブ翼よりもはるかに大きな巨大なデルタ翼が必要となった。抗力と重量（約20%）の増加に加え、[ 15 ]デルタ翼を保護するために必要な過剰な数の耐熱タイルは、メンテナンスコストを大幅に増加させ、コロンビア号の事故につながったような運用リスクを増大させた。[ 16 ]
  • カリフォルニア州のヴァンデンバーグ空軍基地では、米空軍がスペースシャトルの打ち上げと整備に必要なインフラ全体を40億ドル以上をかけて複製しました。チャレンジャー号爆発事故後、この施設は一度もシャトルミッションを打ち上げることなく解体されました。
  • 航空宇宙技術者のロバート・ズブリンは、シャトルは「逆向きに」設計されたと述べている。つまり、回収が難しいオービター部分は回収可能にしたが、ブースターの一部（液体燃料タンク）は、それほど高くも速くも飛ばないため回収が容易であるにもかかわらず廃棄されたのである。[ 17 ]
  • 耐熱タイルのメンテナンスは非常に労働集約的で費用のかかる作業であり、約35,000枚のタイルを個別に検査する必要があり、各タイルはシャトルの特定のスロットに合わせて特別に製造されていた。[ 18 ]
  • RS-25エンジンは構造が複雑であったため、飛行のたびに取り外して徹底的な点検と入念な整備を行う必要がありました。ブロックIIエンジンの納入以前は、主要エンジン部品であるターボポンプは使用後に取り外し、分解、オーバーホールを行う必要がありました。[ 19 ] [ 20 ]
  • OMS/RCSスラスタに使用される有毒な推進剤は特別な取り扱いが必要であり、その間、同じ換気システムを共有するエリアでは他の作業を行うことができませんでした。これにより、ターンアラウンドタイムが増加しました。
  • 打ち上げ率は当初の予想を大幅に下回りました。運用コストの絶対値は削減されませんが、年間の打ち上げ回数を​​増やすことで1回あたりの打ち上げコストは低下します。初期の仮説研究では、年間55回の打ち上げの可能性が検討されました（上記参照）。しかし、外部燃料タンクを製造しているルイジアナ州ミショー工場の製造能力に基づき、最大打ち上げ率は年間24回に制限されました。シャトル開発初期には、予想打ち上げ率は年間約12回でした。[ 21 ]打ち上げ率は1985年に年間9回とピークに達しましたが、プログラム全体では平均4.5回でした。
  • 1972年にシャトルの主要契約業者が決定された際、ユタ州モートン・サイオコール社との固体ロケットブースター契約など、シャトル計画を議会にとってより魅力的なものにするため、複数の企業が業務を分担しました。計画期間中、この契約は運用コストの増加をもたらしましたが、1990年代の米国航空宇宙産業の統合により、シャトル計画の支出の大部分は、ボーイング社とロッキード・マーティン社の合弁会社であるユナイテッド・スペース・アライアンス社に一元化されました。

文化的な問題と課題

技術が成功するには、現実が広報よりも優先されなければなりません。なぜなら、自然は騙されないからです。

— リチャード・ファインマン、チャレンジャー号惨事に関するロジャース委員会報告書。

一部の研究者は、NASAの文化において、打ち上げが予定通りに行われるよう安全を軽視する傾向が蔓延していると批判しており、これは「打ち上げフィーバー」とも呼ばれている。伝えられるところによると、1980年代にはNASAの上層部がこの安全重視の低下を受け入れた一方で、一部のエンジニアは依然として警戒感を抱いていたという。社会学者ダイアン・ヴォーンによると、この積極的な打ち上げスケジュールは、ベトナム戦争後のアメリカの威信回復を狙ったレーガン政権時代に生まれたという。[ 22 ]

チャレンジャー号事故に関する公式調査委員会に任命された物理学者リチャード・ファインマンは、報告書の中で、NASAの現場エンジニアたちはミッション失敗のリスクを「 1パーセント程度」と見積もっていたと述べ、「一方、当局幹部は失敗の確率は1000分の1だと主張している。その理由の一つは、資金供給を確保するためにNASAの完璧さと成功を政府に保証しようとしたことかもしれない。もう一つの理由は、彼らがそれを真実だと心から信じ込んでいたため、現場のエンジニアたちと彼らとの間のコミュニケーションが信じられないほど欠如していたことかもしれない」と付け加えた。[ 23 ]

ファインマンの警告、そしてヴォーンがNASAの安全委員会や安全委員会に所属していたという事実にもかかわらず、その後の報道は、NASAの安全性に対する相対的な軽視が依然として続いていたことを示す証拠をいくつか明らかにした。例えば、コロンビア号の事故に至るまで、NASAは打ち上げ時の断熱材の小さな破片の破損によるリスクを軽視し、過去の断熱材衝突による損傷がないことを踏まえて将来のリスクは低いと想定していた。[ 24 ]

シャトルの運用

スペースシャトル地上処理の元々の簡素化されたビジョン
実際のスペースシャトルの地上処理ははるかに複雑で、はるかに遅い。

シャトルは当初、旅客機のような運用を想定していました。着陸後、オービターは点検を受け、外部燃料タンクと固体ロケットブースターとの結合作業を開始し、最短2週間で打ち上げ準備が整う予定でした。

実際には、チャレンジャー号の喪失前は、ミッション後のターンアラウンドタイムの​​約半分は、飛行中に発生した予期せぬ出来事に基づく予定外のテストと修正でした。[ 25 ]このプロセスは通常数か月かかり、アトランティスは54日以内に2回の打ち上げでチャレンジャー号以前の記録を樹立し、コロンビアはチャレンジャー号以降の記録を88日で樹立しました。 シャトルプログラムの目標である乗組員を安全に地球に帰還させることは、迅速かつ安価なペイロード打ち上げの目標と矛盾していました。 さらに、多くの場合、生き残れるような中止モードがなかったため、多くのハードウェアが完璧に機能する必要があり、各飛行の前に入念な検査が必要でした。 その結果、人件費が高くなり、シャトルの運用には約25,000人の労働者が従事し、年間約10億ドルの人件費がかかりました。[ 5 ]

当初、宇宙ステーションのサポートに重要であると提示されたシャトルの機能の一部は、不要であることが判明しました。

  • ソ連が実証したように、カプセルと無人補給ロケットは宇宙ステーションへの物資補給に十分である。
  • NASAは当初、無人ペイロードの打ち上げにシャトルを使用する方針だったが、実際にはその方針は通用せず、最終的には中止された。使い捨て打ち上げ機（ELV）の方がはるかに安価で柔軟性が高いことが証明された。
  • チャレンジャー号の事故後、惑星間探査機用に計画されていた強力な液体燃料のセントール上段ロケットをシャトルで運ぶことは、シャトルの安全上の理由から不可能になった。[ 26 ] [ 27 ]
  • シャトルは過去に予期せぬ遅延を経験しており、そのため、限られた打ち上げのチャンスを逃してしまう可能性もあった。
  • 技術の進歩により、探査機は小型軽量化されました。その結果、多くのロボット探査機や通信衛星は、デルタやアトラスVといった使い捨ての打ち上げロケットを使用できるようになりました。これらのロケットは、スペースシャトルよりも安価で信頼性が高いと考えられています。
  • 今日の技術進歩は、シャトルが開発された時代よりもはるかに速いペースで進んでいます。そのため、高価な衛星を回収し、地球に帰還させて改修や新技術への更新を行うためにシャトルが役立つという考えは時代遅れです。コストは低下し、能力は飛躍的に向上したため、古い衛星を放棄して新しい衛星を打ち上げる方がはるかに費用対効果が高いのです。

事故

STS-51Lにおけるスペースシャトル・チャレンジャー号のSRB破壊。Oリングのシーラント破損により、目に見えるSRBの推力ガスがETのLH2貯蔵庫に衝突、貫通し、爆発した。

チャレンジャー号とコロンビア号の事故は技術的な詳細は異なるものの、組織上の問題には共通点が見られる。飛行技術者が懸念していた潜在的な問題に対する懸念は、NASAの上級管理職に適切に伝達されず、理解も得られなかった。宇宙船は異常な問題が発生する前に十分な警告を発していた。重層的で手続き重視の官僚組織構造は、必要なコミュニケーションと対応を阻害した。さらに、どちらのミッションの失敗も、有人オービターをロケット側面に取り付けるという誤った構想に起因するとされている。チャレンジャー号の事故では、オービターがロケットから脱出するのを妨げ、コロンビア号の事故では、耐熱シールドが損傷を受ける可能性があった。

チャレンジャー号では、本来は全く侵食されないはずのOリングが、以前のシャトル打ち上げで侵食された。しかし経営陣は、以前の侵食は30%以下だったため、「安全余裕度3倍」があり、危険ではないと考えていた（実際には部品が破損しており、安全係数は存在しなかった）。SRBの設計・製造はモートン・チオコール社が行っていたが、NASAとの打ち上げ前電話会議において、Oリングに関する最も経験豊富なサイオコール社のエンジニア、ロジャー・ボイスジョリーは、経営陣に対し、打ち上げの中止または日程変更を繰り返し訴えた。彼は、異常な低温によってOリングが硬化し、ロケットモーターセグメントの屈曲時に完全な密閉が妨げられるのではないかと懸念を表明した。そして、まさにこの悲劇的な飛行で発生した事態である。しかし、NASA経営陣からの圧力を受けたサイオコール社の上級管理職は、彼の意見を却下し、打ち上げを許可した。打ち上げの1週間前、固体ロケットブースターの再処理に関するサイオコール社の契約も見直しが迫っており、飛行中止はサイオコール社の経営陣にとって避けたい事態でし​​た。チャレンジャー号のOリングは予想通り完全に摩耗し、宇宙船は完全に破壊され、搭乗していた7人の宇宙飛行士全員が死亡しました。

コロンビアの分解は、テキサス州フォートフッドで訓練中のアパッチヘリコプターに搭載された前方監視赤外線（FLIR）カメラによって撮影された。 [ 28 ]

コロンビア号は、上昇中に外部燃料タンクから剥離した断熱材の破片によって耐熱保護が損なわれたために破壊されました。断熱材は当初剥離するように設計されておらず、また剥離することも想定されていませんでしたが、過去には問題なく剥離した例が観察されていました。当初のシャトル運用仕様では、オービタの耐熱タイルはいかなる破片の衝突にも耐えられるようには設計されていませんでした。時間の経過とともに、NASAの管理者は、Oリングの損傷と同様に、タイルの損傷を徐々に受け入れるようになりました。コロンビア号事故調査委員会はこの傾向を「逸脱の正常化」と呼びました。これは、これまで壊滅的な被害をもたらしたことがないという理由だけで、機体の設計許容範囲を超える事象を徐々に受け入れる傾向のことです。 [ 29 ]

STS-1の写真。垂直尾翼の左右にあるOMSポッドのサーマルタイルが消失している様子がわかる。

シャトル群の断熱タイルの欠損や損傷の問題は、2003年にコロンビア号が再突入時に分解して失われた後に初めて生じた。実際、シャトルはそれ以前にも20枚ものタイルを欠損した状態で帰還したが、何の問題もなかった。STS -1とSTS-41は、どちらも軌道操縦システムポッド（乗組員に見える）の断熱タイルが欠損した状態で飛行した。コロンビア号の問題は、断熱タイルではなく、強化カーボンカーボン製の翼前縁パネルへの断熱材の衝突によって損傷を受けたことであった。最初のシャトルミッションであるSTS-1では、突出した隙間充填材があり、再突入時に高温のガスが右側の車輪格納庫に流れ込み、右主脚ドアが座屈する原因となった。[ 30 ]

リスク要因

STSミッションの技術的リスク分析の例として、SPRA反復3.1のSTS-133の主なリスク要因が挙げられます。[ 31 ] [ 32 ]

  1. 微小隕石軌道デブリ（MMOD）の衝突
  2. RS-25による、またはRS-25の壊滅的な故障（スペースシャトルのメインエンジン）
  3. 上昇中の破片がTPSに衝突し、軌道上または進入時にLOCVが発生する
  4. 進入時の乗務員のミス
  5. RSRM による RSRM の壊滅的な故障 (RSRM は SRB のロケット モーターです)
  6. COPV の故障 (COPV はオービター内部の高圧ガスを保持するタンクです)

2011年のISSでのディスカバリー（STS-133）。

ジョン・ヤングとジェリー・L・ロスは、シャトルは常に実験用の機体であり、STS-4後にロナルド・レーガン大統領が宣言したような定期的な宇宙飛行のための運用機体ではないと信じていた宇宙飛行士の一人でした。リック・ハウクは2017年に、STS-1の前に機体の紛失リスクを280分の1と見積もる分析を見たことがあると述べていますが、[ 33 ] 2010年末か2011年初頭に発表されたNASAの内部リスク評価研究（ジョンソン宇宙センターのシャトルプログラム安全およびミッション保証オフィスが実施）では、NASAがシャトルの運用に伴うリスクのレベルを著しく過小評価していたという結論に達しました。報告書では、シャトルの最初の9回の飛行中に壊滅的な災害が発生する確率は9分の1であったが、その後の安全性の向上によりリスク比は90分の1に改善されたと評価されている。[ 34 ] 1984年、レーガン大統領は国家安全保障決定指令に署名し、シャトルは年間24回のミッションを飛行できるようになるまで、おそらく1988年までに「完全に運用可能」にはならないと述べた。[ 25 ]シャトルは1985年の9回のミッションよりも頻繁に飛行することはなく、[ 33 ] 1988年から2003年までの平均で年間約6回のミッションを飛行した。[ 35 ]

NASAの多くの宇宙飛行士は、訓練を受けていない部外者が宇宙飛行のリスクを十分に理解しているとは考えていなかったため、ペイロード・スペシャリスト・プログラムを批判したが、フルタイムの宇宙飛行士も同様だったかもしれない。 [ 33 ]チャールズ・ボールデンは、コロンビア号の喪失後、自分が14年間操縦した機体の「貫通不可能な」前翼の縁が1インチ（約2.5cm）にも満たない厚さだったことを知って驚いた。[ 36 ] NASAは1982年10月、1986年初頭までに37回のスペースシャトル飛行を予測していたが、 [ 25 ]チャレンジャー号の喪失は25回目のスペースシャトル飛行だった。アメリカ海軍テストパイロット学校で危険な航空機の操縦経験を豊富に持つハウクは、「もし25回のうち1回が故障すると事前に知っていたら、最初の26回の飛行のうち3回（私が実際にそうしたように）を操縦することをおそらく躊躇するだろう」と述べた。[ 33 ]

回顧

システムは1971年にリチャード・M・ニクソン大統領に提示された当初の費用と期間の見積もりの​​範囲内で開発されたが、2003年2月のコロンビア号事故の時点で、運用コスト、飛行率、ペイロード容量、信頼性は当初の予想よりもはるかに悪いことが判明した。[ 37 ] STS-1の1981年4月の打ち上げの1年前、グレッグ・イースターブルックはワシントン・マンスリー誌で、野心的すぎる打ち上げスケジュールとそれに伴う予想よりも高い飛行あたりの限界費用、民間および軍事のすべてのペイロードをシャトルに依存するリスク、固体ロケットブースターが故障した場合の生存可能な中止シナリオの欠如、およびシャトルの熱防御システムの脆弱性など、シャトルの多くの問題を正確に予測した。[ 38 ] [ 39 ]

スペースシャトルの承認を得るために、NASAはその経済性と実用性を過大に約束した。運用プログラムにかかる固定費が非常に高額であることを正当化するため、NASAは当初、国内、国防総省、そして国内のあらゆるペイロードをシャトルに搭載することを強制した。チャレンジャー号の事故後、それが不可能であることが判明すると、NASAは国際宇宙ステーション（ISS）をスペースシャトルの正当化の根拠とした。[ 40 ] NASA長官マイケル・D・グリフィンは2007年の論文で、サターン計画が継続されていれば、スペースシャトル計画と同程度の費用で年間6回の有人打ち上げ（うち2回は月への打ち上げ）が可能になり、さらに将来のミッションのためにインフラをロケットに搭載する能力も得られると主張した。

もし私たちがこれらすべてを実現していたら、今日私たちは火星にいて、「今後50年間」のテーマとして火星について書く必要はなかったでしょう。地球軌道上で長期宇宙システムを運用する数十年の経験と、月探査と利用方法を学ぶ同様の数十年の経験を持っていたでしょう。[ 41 ]

シャトル計画には欠陥があったと主張する者もいた[ 42 ] 。 1970年代初頭の技術で再利用可能な宇宙船を実現しようとしたため、運用上の信頼性と安全性を犠牲にする設計決定を迫られた。再利用可能なメインエンジンが優先課題となった。これは、メインエンジンが大気圏再突入時に燃え尽きないことを必要としたため、オービター自体（シャトルシステムの中で再利用が最も重要視された部分）に搭載するという、一見論理的な決定となった。しかし、これは以下の結果をもたらした。

  • 既存の実績ある既製品の代替品（サターンVのメインエンジンなど）とは対照的に、より高価な材料を使用した、より高価な「クリーンシート」エンジン設計が必要でした。
  • 再使用可能なSSMEを各打ち上げ後に飛行可能な状態に保つための継続的なメンテナンス費用が増加し、その合計費用は、各打ち上げごとに使い捨てのメインエンジンを製造する費用を上回る可能性がある。

1990年のオーガスティン委員会は、「民間宇宙計画は宇宙へのアクセスをスペースシャトルに過度に依存している」という懸念を表明した。委員会は、「例えば、チャレンジャー号の場合、通信衛星を軌道に乗せるために7人の宇宙飛行士の命とNASAの打ち上げ資産のほぼ4分の1を危険にさらすのは不適切であった」と指摘した。[ 43 ]

スペースシャトル計画に関連したNASAのスピンオフ技術の中には、再突入時にシャトルを保護するために開発された耐熱材料を市町村や航空機救助の消防士のスーツに使用するなど、商業製品への展開に成功したものもいくつかある。[ 44 ]

参照

参考文献

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  43. ^ 「米国宇宙計画の将来に関する諮問委員会報告書、概要」 NASA、1990年12月。
  44. ^ NASA (1978). Spinoff (PDF) . ワシントンD.C.: 米国政府印刷局. 2008年7月6日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。

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