【機械設計者向け】サーファーの技術がロケットの問題を解決した海外では有名な事例

サーファーの技術が宇宙開発を救った

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#TIL that engineers had issues with the honeycomb insulation on the #SaturnV second stage, so they ended up hiring local surfers from #SealBeach CA, who had experience in working with the material, to apply it to the vehicle 🚀🏄 @NASAhistory pic.twitter.com/jNkiRWtr5L
— Megs H. (@megsylhydrazine) 2021年8月14日

1960年、サーファーの技術が宇宙開発での大きな課題を解決しました。

今回はその話を調べましたので紹介します。

[目次]

サーファーの技術が宇宙開発を救った
それはロケット開発で起きた問題だった
なぜこんなことが起きるのか
映像で見る
- 参考資料

それはロケット開発で起きた問題だった

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活かされたのは液体燃料多段式ロケットであるNASAのサターンV型ロケットの開発でした。

ことの始まりは、1960年代初頭の有人宇宙飛行計画のアポロ宇宙船の搭載重量が増えていったことにあります。

アポロ宇宙船を目標とする軌道に投入させるため、NASAのエンジニアはアポロ宇宙船の重量を維持しつつ、ロケット側を軽くさせる必要がありました。

重量の問題が発覚した時点で、ロケットに搭載されているいくつかの部分の製造がすで終わっており、燃料タンクを搭載するS-IIの開発が残っていました。

開発に時間が掛かる対象にしわ寄せが来るのはメーカーではよくあるので、このS-IIでも同じことが起きていました。

困ったことにS-IIは、この重量問題以外に、溶接が長い点、S-IIのステージに搭載する燃料タンク自体が大きく薄い厚さで高い精度で溶接しなければならないことなのがあげられました。

S-IIはさらに大きな課題、それが燃料タンクの断熱材に使用されたハニカム構造をもつ材料の問題が発生したのです。

従来のロケットからの新要素として、酸化剤と燃料タンクの間の隔壁を大きくすることで、タンク構造及び支持するステージの全長を短くして、余分な重量を削減する設計にしました。

S-IIの構造はこちらが詳しいです。

S-II Overview

Engineering Course for Saturn S-II Stage Systems

そして、従来より大きな隔壁と共に、燃料タンクの低温断熱を行う必要があり、そこにアルミニウムのシートを挟んだフェノール樹脂のハニカム構造が選定されました。

ハニカム材料自体は同型のロケットの外装にアルミニウムによるハニカム構造が使用されていましたが、このフェノール樹脂にウレタンを充填する構造の採用は初めてでした。

ハニカム構造の断熱材は燃料タンクに接着するのですが、低温の燃料が入っているタンクにより液体水素が断熱材側に付着し、接着力を低下させ、断熱材の一部がはがれてしまったのです。

対策として、断熱材に切り込みを入れ、液体水素を逃がす構造に変更しました。

しかし、、液体水素はタンクに燃料が充てんされ打上げの瞬間まで溝を通って行ったのですが、打上げ後に断熱材の接着が弱くなり、何度も剥がれ落ちる結果になったのです。

さらに、いくつかの代替案を試したのですが、どれも失敗しました。

アメリカの雑誌Defense Acquisition Research Journal July-August 2019に記載がありました。

Insulation on the hydrogen fuel tanks was failing. Engineers applied a vacuum-sealed honeycomb insulation material to the exterior of the hydrogen fuel tanks used to power the five J-2 and single J-2 engines on the second and third stages, respectively.

This kept the hydrogen from boiling in the Florida heat. Try as they might, the honeycomb insulation kept popping off the tanks. They knew they were doing something wrong, but they were not sure what. With the manufacturing facility located on California’s Seal Beach, the engineering team, capitalizing on their geographic proximity, recruited some improbable experts that just might be able to help:
Surfers! Surfers used honeycomb cores to create and repair their surfboards because of the lower weight and higher strength than traditional foam and fiberglass boards.
They were hired—and they did a great job applying their unique expertise to resolve the problem. The only drawback was high absenteeism when the surf resources and capabilities available to contribute to the overarching objective, and then devised and communicated a plan to execute those resources.

You cannot change reality, but you can change your plan.

Defense Acquisition Research Journal July-August 2019

https://www.dau.edu/library/defense-atl/DATLFiles/Jul_Aug2019/DEFACQ_Jul_Aug2019.pdf

(意訳)

燃料タンクの断熱材が劣化した。燃料タンクの外壁面に真空にして接着した断熱材を貼り付けた。

これでフロリダの暑さで（低温）水素が沸騰しないようにできた。しかし、何度やってもハニカム構造の断熱材がタンクから外れてしまう。

間違ったことをしているのは分かっている。

分かっているけど、何が間違っているのか分からない。

エンジニアリングチームは、製造拠点であるカリフォルニア州のシールビーチに近くて、助けてくれそうな専門家を募集した。

それがサーファーだった。

サーファーたちは、炭素繊維製のボードよりも軽量で強度が高いハニカムコアを使って、サーフボードの製作や修理を行っていた。

彼らにメンバーに入ってもらい、独自の専門知識を駆使して問題を解決してくれた。

ただ、唯一の難点だったのは、彼らは欠勤が多く加工するためのリソースが不足していたのです。

限られたリソースで実行するため、計画を変更することにはなりました。

現実を変えることはできませんが、計画を変えることはできます。