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ロケット工学では、ミサイルや打ち上げロケットの飛行経路を監視し、ロケットの製造や地上運用に関する厳格なガイドラインを施行することで、射場の安全や飛行の安全が確保されます。 [ 1 ] [ 2 ]ロケット打ち上げの危険から近隣の人々、建物、インフラを保護するために、さまざまな対策が実施されます。[ 3 ]
各国政府は、ロケットや関連する地上システムに関して多くの規制を設けており、宇宙への打ち上げを目指すあらゆる組織が従うべき手順を定めている。宇宙港や射場が運営されている地域では、打ち上げ前に航空機や船舶の航行を厳重に規制する立ち入り禁止区域を設定し、特定の区域を一般の立ち入りから遮断する。
緊急時対応手順は、ロケットが飛行中に故障したり、コースから逸脱したりした場合に実行されます。場合によっては、射場安全担当官（RSO）がロケット搭載の飛行停止システム（FTS）に信号を送信することで、飛行またはミッションの終了を指示します。これにより、ロケットが地上の人や物に危害を加える可能性のあるあらゆる手段を排除するための措置が講じられ、多くの場合、爆発物が用いられます。飛行停止は、ロケット本体に搭載された別のコンピュータユニットによって自律的に作動させることもできます。
打ち上げ前には、発射台周辺の区域が避難させられ、打ち上げ当日は特定の場所を避けるよう航空機や船舶に通行人に通行止めが課せられます。これにより、ロケットの発射専用区域である発射回廊が確保されます。 [ 4 ] [ 5 ]発射回廊の境界は破壊線と呼ばれます。発射回廊の正確な座標は、天候や風向き、打ち上げロケットとそのペイロードの特性によって異なります。ボート、船舶、航空機が発射回廊に進入すると、打ち上げが延期または中止されることがあります。[ 5 ]
射場安全責任者 (RSO) が打ち上げを監視し、最終的な決定を下すのを支援するために、飛行中の宇宙機の状態を示す多くの指標があります。これらには、ブースターチャンバー圧力、垂直面チャート (後にコンピュータ生成の破壊線に置き換えられました)、高度および速度の指標が含まれます。この情報に関して RSO を支援したのは、打ち上げ時 (レーダー技術が利用可能になる前) に使用されたプロファイルおよび水平平行線とテレメトリー指標から報告する RSO のサポートチームでした。[ 5 ]飛行中、RSO は、ロケットの位置とともに常に更新される瞬間衝突点 (IIP) に細心の注意を払います。何らかの理由でロケットが飛行中に破壊線のいずれかを越えると予測された場合、安全区域外の人や資産を危険にさらさないように、破壊コマンドが発行されます。[ 5 ]これには、ロケットのさまざまな段階またはコンポーネントにある特別な冗長UHF受信機に、暗号化されたメッセージ (通常は打ち上げ前に秘密にされる一連の音声トーン) を送信することが含まれます。以前は、RSO は飛行終了直前に「アーム」コマンドを送信し、FTS を使用可能にして液体燃料ロケットのエンジンを停止させていました。[ 6 ]現在では、FTS は通常、打ち上げ直前にアームされます。[ 4 ]別の「ファイア」コマンドで、通常は線状成形炸薬などの爆薬を起爆させてロケットを無力化します。[ 6 ]
射場安全システムでは信頼性が最優先事項であり、冗長性と打ち上げ前テストに重点が置かれています。射場安全送信機は、十分なリンクマージンを確保するために、非常に高い電力レベルで継続的に動作します。射場安全受信機が受信する信号レベルは、打ち上げ前にチェックされ、飛行中も監視され、十分なマージンが確保されます。打ち上げロケットが脅威でなくなると、意図しない作動を防ぐために、射場安全システムは通常、安全化（シャットダウン）されます。サターン1BロケットとサターンVロケットのS-IVB段は、射場安全システムに自身の電源を切るようにコマンドを送ることでこれを行いました。[ 7 ]
米国の宇宙計画では、射場の安全は通常、 NASAが主導する民間宇宙計画、または国防総省が主導する軍事宇宙計画（その下部組織である米国宇宙軍を通じて）に所属する射場安全責任者（RSO）の責任である。NASAでは、射場運用中も一般市民が普段の日常活動と同じくらい安全であることを目標としている。[ 9 ]米国のすべての打ち上げロケットには、飛行停止システムが装備されている必要がある。[ 10 ]
射場の安全対策は、1950年にケープカナベラルから行われた初期の打ち上げ試み以来実施されてきた。東部および西部試験射場からの準軌道飛行および軌道飛行用の宇宙機は、安全な飛行打ち上げ回廊を囲む事前に定められた破壊線を越えて人口密集地域を危険にさらした場合、破壊された。最初の離陸後、飛行情報は、機体搭載送信機からのXバンドおよびCバンドレーダーとSバンドテレメトリー受信機によって取得される。 東部試験射場では、SバンドおよびCバンドアンテナはバハマ諸島からアンティグア島まで設置されており、その後、宇宙機は推進段階を完了するか、軌道に乗る。2つのスイッチ、アームとデストラクト が使用された。アームスイッチは液体推進機の推進を停止し、デストラクトスイッチは燃料タンクを囲むプライマコードに点火した。
ケープカナベラル宇宙軍基地では、 1950年から1998年の間にミサイルやロケットの打ち上げが約450回失敗し（合計約3400回）、搭載または地上の安全機構の介入によって打ち上げが終了したものの数は不明である。 [ 11 ] 2025年2月現在、米国のロケットで飛行終了システムが作動したことが確認された最新の事例は、2025年のスターシップIFT-7であった。 [ 12 ]
ケネディ宇宙センターとケープカナベラル宇宙軍基地を含む東部射場からの打ち上げでは、ミッション飛行管制官（MFCO）は、軌道投入までの飛行中、または弾道打ち上げの場合はすべての破片が安全に地球に落下するまで、機体からの公共の安全を確保する責任を負います。よくある誤解とは異なり、MFCOは安全局の一部ではなく、宇宙軍のスペースローンチデルタ45の射場飛行隊の運用グループの一部であり、デルタ司令官の直接の代表者とみなされています。MFCOは、射場安全の飛行解析セクションによって生成される最大3種類のコンピュータディスプレイグラフィックによって破壊の決定を下す際の指針を得ます。ほとんどの機体の主要なディスプレイの1つは、真空衝突点ディスプレイで、抗力、機体の旋回、風、爆発パラメータが対応するグラフィックに組み込まれています。もう1つは、機体の軌道が2つの平面に投影される垂直面ディスプレイです。スペースシャトルの場合、MFCO（多目的飛行制御センター）が使用する主要な表示方法は、リアルタイムで連続的に表示される飛散範囲を示す曲線です。これは、MFCOがその時点でシャトルを破壊した場合に、破片の大部分がどこに落下するかを示す、動きのある単純な閉じた曲線です。このリアルタイム飛散範囲表示は、 1986年のスペースシャトル・チャレンジャー号の事故を受けて開発されました。この事故では、破壊された機体から固体ロケットブースターが予期せず分離し、地上に向かって飛散し始めました。
カリフォルニア州ヴァンデンバーグ宇宙軍基地の西部射場における射場安全管理は、やや類似したグラフィックおよび表示システムを用いて行われている。ただし、西部射場のMFCO（多目的飛行制御担当官）は打ち上げ時には安全チームの指揮下に置かれ、打ち上げ中のあらゆる安全関連活動の中心となる。
米国の有人宇宙ミッションであっても、RSOは、打ち上げ中にロケットが制御不能の兆候を示した場合、および人口密集地域を被害から守るために設定された事前設定された中止制限を超えた場合、ロケットの遠隔破壊を命令する権限を持つ。有人飛行の場合、破壊命令が送信される前にロケットは最高高度まで飛行することが許可される。これにより、宇宙飛行士は自力脱出のための最大限の時間を確保できる。破壊爆弾の作動直前には、ブースター段のエンジンも停止される。例えば、1960年代のマーキュリー/ジェミニ/アポロの打ち上げでは、RSOシステムは、発射脱出システムがカプセルを引き離す時間を確保するために、エンジン停止後3秒経過するまで作動しないように設計されていた。
米国のスペースシャトル軌道船には破壊装置は搭載されていませんでしたが、固体ロケットブースター（SRB）と外部燃料タンクには両方とも搭載されていました。[ 13 ]スペースシャトル・チャレンジャーが飛行中に分解した後、RSOは制御不能になった自由飛行するSRBが脅威となる前に破壊するよう命じました。[ 14 ]
RSOはケネディ宇宙センターがジョンソン宇宙センターのミッションコントロールに制御を引き渡した後も業務を継続するが、飛行管制官とはみなされない。[ 13 ] RSOはケープカナベラル宇宙軍基地の射場運用管制センターで勤務し、ミサイルまたは車両が射程外に出て海域または陸域への脅威ではなくなった時点で（第1段上昇完了後）、RSOの任務は終了する。[ 13 ]
米国の宇宙開発計画とは異なり、ロシアの宇宙開発計画では、ロケットが故障した場合でも空中で破壊することはありません。ロケットが制御不能になった場合、地上管制官が手動で停止命令を出すか、搭載コンピューターが自動的に停止命令を実行します。この場合、ロケットはそのまま地上に落下します。ロシアの発射場は人口密集地から遠く離れた僻地にあるため、飛行停止システムを導入する必要性はこれまで認識されていませんでした。ソ連時代には、使用済みのロケット段や打ち上げ失敗による残骸は徹底的に除去されていましたが、ソ連崩壊後はこの慣行は廃止されました。
中国がロケット打ち上げに関する安全評価や緊急時対応評価を実施しているか、また同国の各ロケットに飛行停止システムが搭載されているかは不明である。[ 15 ] [ 16 ]同国はロケットの部品を制御不能な軌道で地球に落下させることで知られている。[ 17 ] [ 18 ]ある事例では、ロケットが軌道を外れて西昌衛星発射センター近くの村に墜落し、少なくとも6人が死亡した。[ 15 ] 2024年には、民間企業のスペースパイオニアが試験中に天龍3号ロケットの1基を意図せず打ち上げ、中国の鞏義にある試験場から1.5キロメートル（0.9マイル）離れた山中に墜落した。[ 19 ] 2020年代初頭から、中国航天科技集団（CASC）は、長征ロケットブースターの制御不能な再突入を防ぐための方法の開発と実施を開始し、最も顕著な例としてパラシュートの使用を挙げている。[ 20 ]
宇宙航空研究開発機構（JAXA）は、安全・ミッション保証部を通じて宇宙活動を規制している。規則JERG-1-007Eは、打ち上げ当日に射場で維持すべき多くの安全要件、打ち上げ安全違反、打ち上げ中止や失敗後、射場での緊急事態発生時に従うべき手順を規定している。[ 21 ]
ESAの主要な打ち上げ場所はフランス領ギアナのクールーです。ESA のロケットは、打ち上げセンターが比較的辺鄙な場所にあるにもかかわらず、米国と同様の飛行安全システムを採用しています。ヨーロッパ宇宙港の射場の安全は飛行安全チームの責任であり、 [ 22 ]打ち上げ場所とその周辺地域はフランス外人部隊によって警備されています。 [ 23 ]初期のアリアン 5 ロケットは、 1996 年の悪名高いアリアン 501を含め、独自の判断で飛行を中止できる機能を備えた飛行コンピューターによって制御されていました。[ 24 ]
2018年、2基の商用衛星を搭載したアリアン5ロケットが、打ち上げ直後に軌道から外れた。地上管制官は、飛行開始から9分後、第2段が点火して通信が途絶えるまで、ロケットの軌道は正常であると認識していた。[ 25 ]ロケットはクールー上空をかすめるように飛行し、RSOがロケットが意図したよりも陸地に接近していることに気づいた時点で、発生した破片が打ち上げ場所の隣接する町に落下する恐れがあるため、飛行を中止しないことが決定された。[ 26 ] 2基の衛星は目標軌道から外れた軌道に投入されたが、かなりの量の推進剤を失いながらも軌道を修正することができた。[ 25 ]
インド宇宙研究機関（ISRO）のロケットは、CバンドおよびSバンドレーダーによって追跡されます。2019年2月現在、ISROはGPSおよびNavICを使用してロケットの位置を射場に直接送信していません。[ 27 ]
千里馬1号軌道ロケットの打ち上げ時には、射場安全対策が実施される。ロケットの3回目の打ち上げが成功した際、当局は分離後に第1段の飛行停止システムを作動させたことが報告された。これはおそらく、ブースターまたはその残骸が韓国または同盟国によって回収された場合に、リバースエンジニアリングを防ぐために証拠を消去するためであったと考えられる。[ 28 ]
飛行停止システム (FTS) は、打ち上げロケットに搭載された相互接続されたアクチュエータとアクチュエータのセットで、ロケットのコンポーネントを停止または破壊して飛行不能にすることができます。[ 29 ] FTS の主なタスクは、必要に応じて、故障に関与したロケットのどの部分の推進手段も取り除くことです。[ 30 ]ロケット打ち上げ中に地上施設、人員、観客の安全を確保できる唯一のものであるため、実質的に 100% の信頼性が求められます。[ 10 ] [ 29 ]飛行停止システムは、無人航空機にも頻繁に搭載されています。[ 31 ] [ 32 ]
他のコンポーネントが決定に干渉しないようにするため、FTSはロケットとは完全に独立して動作する必要があります。そのため、FTSは別途メンテナンスが必要であり、独自の電源を備えています。[ 10 ] [ 33 ]多段式ロケットやサイドブースターを使用するロケットの場合、打ち上げ機の各段と各ブースターには独自のFTSが装備されています。[ 10 ]
飛行終了は通常、ロケットとともにペイロードを破壊します。[ 30 ] [ 34 ]このため、打ち上げロケットは、放射性部品を動力源とするペイロードの打ち上げ認証を受ける前に、FTSの作動時に機体とペイロードに及ぼす可能性のある損傷の程度など、他の基準に基づいてFTSの検査を受ける必要があります。[ 35 ]スペースシャトルを除く有人打ち上げロケットは、搭載ロケットが故障した場合に乗組員の命を救うための打ち上げ脱出システムを採用しています。 [ 36 ] [ 37 ]
飛行停止システムは通常、次の2つのコンポーネントのセットで構成されます。[ 29 ]
フライトを終了する方法は2つあり、以下に説明します。
ほとんどの場合、故障した打ち上げロケットは高度で完全に無力化されることが望ましい。[ 29 ]ロケットは、打ち上げ回廊から外れたり、誤った飛行を続けたりするのを防ぐために、飛行中に破壊される。その結果生じる破壊は、ロケットの部品を狭い範囲に散布し、部品の大部分が打ち上げ回廊内に留まり、できるだけ損傷や負傷を少なくするようにする必要がある。さらに、ロケットは地上のはるか上空で、できるだけ制御された方法で燃焼し、推進剤を散布する必要がある。[ 29 ]これは、ロケットの特定の場所で、通常は線状成形炸薬である高性能爆薬[ 38 ]を爆発させることによって行われ、これにより構造的破壊が引き起こされ、ロケットは空力的に不安定になる。[ 34 ]
液体燃料ロケットでは、[ 40 ] [ 41 ]推進剤タンクが切断されて内容物がこぼれ落ちる。[ 16 ] [ 34 ]ロケットのエンジンも通常は破壊または機能停止される。[ 39 ]自己着火性推進剤を含むロケットでは、飛行終了時に有毒な推進剤が可能な限り混合および燃焼するように、ロケットのタンクのインタータンクセクションまたは共通隔壁が破裂する。極低温推進剤で燃料を供給されるロケットでは、 FTS が推進剤を起爆させて激しい爆発を引き起こすことが許されないため、推進剤の過剰な混合と燃焼を防ぐためにタンクが側面から穿孔される。 [ 34 ] [ 10 ]
固体燃料ロケット[ 42 ] [ 14 ]はエンジンを停止することはできませんが、ロケットを分割すると、推進剤は燃焼し続けますが、爆薬がロケットと燃料を粉々に砕くため、推力は停止します。場合によっては、固体ロケットからノーズコーンまたは固体推進剤ケースの上部のみを取り外すこともあります[ 43 ]が、ロケットの残りの部分が激しく爆発し、地面や水面に衝突した際に負傷や損傷を引き起こす危険性があります[ 29 ] 。
液体燃料ロケットの場合、エンジンを停止するだけで飛行の安全性を確保できる場合がある。[ 44 ] [ 29 ]こうした場合、機体は再突入時または海上の空き地への着水時に破壊されるため、機体を完全に破壊する必要はない。FTSは代わりに、推進剤および酸化剤ラインのバルブを閉じるか、爆発物（パイロバルブなど）で燃料ラインを切断し、機体がエンジンを使用できなくなり、安全な軌道にとどまるようにする。その後、機体はタンクの衝突と破損によって破壊される可能性がある。[ 45 ] [ 29 ]この方法は、有人軌道実験室計画で使用される予定だったタイタンIII-Mロケットで最初に提案された。[ 13 ]
自律飛行終了システム（AFTS）または自律飛行安全システム（AFSS）は、地上要員の関与なしにロケットの飛行終了を指示できるシステムです。代わりに、AFTS破壊装置には、打ち上げ機とは独立してミッション規則違反を検出し、ミッションを安全に終了させるための措置を実行するようにプログラムされた独自のコンピュータがあります。少なくとも1998年以来、[ 46 ]これらのシステムは、打ち上げコストを削減し、より迅速で安全かつ応答性の高い打ち上げ運用を可能にするために開発されてきました。[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]以前は、意図せず機体から取り外されたり緩んだりした場合に、通常はサイドブースターなどのロケットの部品を自律的に破壊する偶発分離破壊システムがすでに配備されていました。[ 50 ]
NASAは2000年に米国国防総省と提携してAFSSの開発を開始し、その開発は商業軌道輸送システムプログラムに含まれていた。[ 47 ]
ATKとSpaceXはどちらもAFSSを開発している。両システムとも、GPSを利用したコンピューター制御システムを用いて異常飛行を中止させ、従来型の人間による監視システムを補完または代替する。
ATKの自律飛行安全システムは、2013年11月19日にNASAのウォロップス飛行施設で初公開された。このシステムは、ニューヨーク州ロンコンコマ、ミネソタ州プリマス、ユタ州プロモントリーポイントにあるATKの施設によって共同開発された。[ 51 ]
SpaceXが開発したシステムは、 2013/14年に再利用ロケット技術開発プログラムのテストに使用されたファルコン9ブースターF9R Dev1で実証されました。2014年8月、センサーの誤った読み取りによりブースターがコースから外れた後、AFTSが作動し、機体は分解しました。[ 52 ] [ 40 ]
SpaceXの自律飛行停止システムは、その後多くのSpaceXの打ち上げで使用され、2017年までに十分にテストされました。現在、米国のイースタンレンジとウェスタンレンジの両方の施設でこのシステムが使用されており、従来の「地上ミッション飛行管制要員と機器を、機上測位、航法、タイミングの情報源と意思決定ロジックに置き換えた」ものです。[ 53 ]さらに、このシステムにより、米空軍は人員を大幅に削減し、1年間でサポートできる打ち上げの数を増やすことができました。その年、年間48回の打ち上げをサポートでき、1回の打ち上げに対するレンジサービスのコストは50%削減されました。[ 53 ]
AFTSの追加により、米国東部射場からの打ち上げの傾斜角制限も緩和されました。2018年初頭までに、米国空軍はケープカナベラルからの極軌道打ち上げを可能にする軌道を承認しました。「極軌道回廊」では、打ち上げ直後に南に向きを変え、マイアミのすぐ東を通過し、キューバの北に第1段を着水させます。[ 54 ]このような打ち上げ回廊は、地上管制システムでは、地上局に向けられたロケット自身の排気プルームによる無線干渉のため実現不可能です。[ 55 ] 2020年8月、SpaceXはSAOCOM 1Bの打ち上げでこの機能を実証しました。[ 56 ]
SpaceXのスターシップに搭載されたAFTSは、初飛行でかなりの問題を呈した。SpaceXは、機体が推力ベクトル制御を失ったT+1:30の時点で破壊コマンドが与えられると予想していたが、これはずっと後に行われた。[ 57 ]作動すると、爆発物は予想通りに爆発したが、破壊は遅れた。[ 58 ]機体が破壊されたのはT+3:59で、AFTSが作動したと推定されてから40秒後だった。[ 38 ] [ 16 ]
2019年12月、ロケットラボはエレクトロンロケットにAFTSを追加したと発表した。ロケットラボは、これまでの4回の飛行では地上システムとAFTシステムの両方が搭載されていたと述べている。2019年12月の打ち上げは、完全自律飛行停止システムを搭載したエレクトロンロケットの最初の打ち上げだった。それ以降の飛行にはすべてAFTSが搭載されている。ロケットが軌道から外れた場合、AFTSはエンジンを停止するように指示する。[ 59 ]
2020年8月、欧州宇宙機関は、アリアン5ロケットのアビオニクスベイにAFSSが搭載されていることを発表した。アリアン5に搭載されているAFSSはKASSAV（Kit Autonome de Sécurité pour la SAuvergarde en Vol）と呼ばれている。[ 60 ]システムの後のバージョンであるKASSAV 2は、ロケットが軌道から外れた場合に自動的に飛行を中止する権限を持つことになる。[ 61 ]
日本政府は2010年代半ばからAFTSを自国のロケットに使用することを承認している。[ 62 ] SpaceOneのKAIROS固体燃料ロケットはAFTSを使用している。[ 63 ]初飛行の際、ロケットの速度と推力が想定よりも低かったため、わずか数秒後にAFTSが作動した。 [ 64 ]
ブルーオリジンのニューグレン、ユナイテッド・ローンチ・アライアンスのバルカン・セントール、アリアングループのアリアン6などの将来の打ち上げロケットにも搭載される予定である。[ 65 ] NASAのスペース・ローンチ・システムは、アルテミス3号の飛行までにAFTSを使用する予定である。[ 66 ]
2020年、NASAは商用および政府用打ち上げロケットで使用するためのNASA自律飛行停止装置（NAFTU）の開発を開始しました。2022年に、ロケットラボの米国初のElectronミッション（ウォロップス飛行施設から）である2023年1月に、この装置の暫定認証が付与されました。[ 67 ]
モンティース氏は正確な軌道については詳しく説明しなかったが、沖合に出たら「発射台から少し離れて」南に向きを変え、「その後マイアミを迂回する」と述べた。ロケットの第1段はキューバに到達する前に安全に投下されるだろうと彼は述べた。第2段は島上空を通過する頃には非常に高い高度に達しているため、特別な許可は必要ないだろう。
一方、NASAはSLSロケットにこの機能を追加する必要があり、ロサティ氏はNASAが2023年のアルテミス3ミッションでの初打ち上げを目指していると述べた。