チーム・マネジメント

チームマネジメント、人間-機械システム、そしてヒューマンファクターズを考える

【惨事(Tragedy)】 コロンビア号 空中分解事故

 2003年2月1日、世界に衝撃が走りました。7名の宇宙飛行士(Rick D. Husband, William C. McCool, Michael P. Anderson, David M. Brown, Kalpana Chawla, Laurel Blair Salton Clark, Ilan Ramon)が搭乗して地球へ帰還途中であったスペースシャトル コロンビア号が空中分解事故に逢いました。数日前の1月28日には、アポロ1号火災事故(以前の記事)とチャレンジャー号爆発事故以前の記事)の追悼として、宇宙飛行士そして地上支援要員が黙とうを捧げたばかりでした。

 徹底的な事故調査が進んで事故原因は断定されています。事故発生の16日前の打上げ日(1月16日)、打上げから81.7秒後に外部燃料タンクから剥落した書類カバンほどの発泡断熱材の破片が左翼に直撃したことが確認されました。左翼前縁における強化炭素複合材(RCC: Reinforced Carbon-Carbon)の熱防御システムが破損し、地球帰還時の大気圏再突入にて生じる空気摩擦によって、超高温のプラズマが左翼前縁に侵入し、徐々に翼内部のアルミニウム構造を溶かしました。構造の強度が低下して翼を失い、大気抵抗の増加に伴って飛行を制御できなくなり、コロンビア号の機体は空中分解しました。

 コロンビア号が空中分解して流れ星のように飛んでいる姿は、トップニュースとして世界中に衝撃的な映像で流れました。私もその映像を見て、宇宙飛行士の生存確率はほぼゼロで、チャレンジャー号事故以来の悲劇であり、スペースシャトル飛行は凍結され、国際宇宙ステーションの建設も中止されると悲観にくれました。実際には、宇宙競争を勝ち抜いてきた宇宙先進国として米国の底力は途轍もなく強く、チャレンジャー号事故の教訓もあり、コロンビア号を喪失してから2時間以内にコロンビア事故調査委員会(CAIB: Columbia Accident Investigation Board)が設立されました。

 事故7ヶ月後には、CAIBが調査した結果をまとめてコロンビア事故調査報告書が公表されました。情報公開が進んでいるNASAも重要視する多岐にわたる勧告であり、現在もNASAホームページから入手できるようになっています(リンク先)。本編(Volume I)だけで248ページに及ぶ報告書であり、事故状況の整理、詳細データも含めた技術的な原因究明、事故を招いた歴史的記録、安全文化の欠如、組織的な問題点、有人宇宙活動を再開するための提言も含まれています。

 当然報告書は英文ですが、有人宇宙に関わりたい方やコロンビア号事故の詳細を知りたい方は、原文を拝読してください。国家の威信をかけて、半年でこれだけの内容を含んだ報告書を仕上げる実力に圧倒されます。この記事では個人的に注目した教訓を説明してきます。


(1) コロンビア号の特異性

 コロンビア号は、最初の宇宙往還機(Space Shuttle Orbiter)であり、初期の技術水準によって製作され、1981年4月12日に初飛行しています。他の機体であるディスカバリー号(Discovery)、アトランティス号(Atlantis)、エンデバー号(Endeavour)と設計が異なっており、コロンビア号は重量が重いため、国際宇宙ステーションの高い傾斜角を持つ軌道に到達するには、輸送できる物資が不十分となります。そのため、コロンビア号は科学実験やハッブル宇宙望遠鏡の修理のために用いられました。

 1998年11月20日に最初の国際宇宙ステーションを構成する要素"Zarya"が打ち上がりました。2018年で20周年となります。12月4日にはエンデバー号が打ち上げられ、構成要素"Unity"を輸送して結合しました。事故が起きたコロンビア号の飛行(STS-107)では、宇宙実験室(SPACEHAB)が搭載されて、宇宙飛行士も2シフト体制で24時間継続して宇宙実験が進められました。 

 コロンビア号は、また技術開発を目的とした機体であったため、詳細な飛行データを記録する測定単位補助データシステム(Modular Auxiliary Data System)が搭載されていました。開発過程の遺産であるがこのシステムは稼働していましたが、22年目でセンサ寿命を超えており、多くのセンサは既に故障していました。ただし、遠隔データ(テレメトリ Telemetry)では伝送されなかったセンサ値も記録されており、回収されたフライトレコーダーから事故状況の詳細な情報を取得されています。報告書には細かなデータの変化を時系列に整理して、事故検証に用いられています。

 

(2) その時、管制官は?

 補助データシステムの記録データでは、突入点(EI: Entry Interface、高度40万フィートに入る時点)から270秒後(EI+270)に最初の兆候を捉えていました。テレメトリだけでは変化が現れず、EI+613にならなければヒューストンの管制官は異常の兆候を気づくことができませんでした。管制官は、左翼にある油圧システムにて4つの温度センサが計測範囲外最小値(Off-Scale Low)を示していることをフライトディレクターへ初めて報告しています。

 大気圏再突入してほぼ11分が経過した後(EI+651)、通常でも翼前縁は1650℃に達します。コロンビア号は、マッハ21.8の速度で、高度223,400フィートを飛行していました。その時を過ぎても、管制チームは4つの壊れた計器について議論を続けていました。他に異常データがなかったため、センサ異常と認識していました。

 EI+831には、コロンビア号はニューメキシコ州を通過してテキサス州の上空へ入り、A/G(air-to-ground)音声ループを通じて機長から途切れ途切れの交信がありましたが、内容は聞き取れませんでした。その後のEI+906には、左の主着陸ギアタイヤ圧ついて読み値が失われたと報告がありました。クルーへ地上で認識している事象を伝えるとともに、先の交信内容を確認していました。EI+923には、コロンビア号の機長から途切れた回答があり、「Roger(了解)…… その後途切れる」それが記録されているコロンビア号クルーからの最終交信となりました。そして、受信していたテレメトリも途切れました。

 管制チームはコロンビア号との通信異常を疑って通信の復旧に努めていました。地上で監視していたビデオカメラを通じて、EI+969にコロンビア号が分解していったことが明らかになりました。E+1710に管制チームに電話連絡が入り、コロンビア号の空中分解が伝えられました。シャトル飛行管制を指揮するフライトディレクターは、地上設備担当に「ドアを閉めろ(Lock the doors)」と指示しました。この指示は、重大事故が発生した場合の手順に従い、実際に管制室を施錠して、全てのデータを保存・変更できないようにし、管制官に全ての記録を整理することを示唆しています。

 コロンビア号の飛行管制を担い、直接クルーと交信できる管制センター(MCC: Mission Control Center)が、空中分解という想定外の事象に対して、機体の状態を示す限られたテレメトリでは情報収集が不十分となり、事態を把握できていませんでした。NASAは、打上げ時に断熱材の破片が左翼に直撃した事実を把握していながら、「断熱材の衝突程度では、主翼前縁は壊れない」として、通常通りコロンビア号の大気圏再突入そして帰還を指令していました。


(3) 設計要求と実機の相違

 報告書でも指摘されていますが、事故原因は異なりますが、チャレンジャー号爆発事故を招いた安全に対する同様な過ちが繰り返されました。NASAは、打上げ時に外部燃料タンク等から何らかの破片が外れて機体を損傷した場合、重大事故を招く危険性は知っていました。初期のスペースシャトルのフライトから、打上げ時に断熱材が剥がれ落ちて機体に小さな傷をつけていたことが確認されています。

 一般的なロケットでは、輸送する宇宙機人工衛星はロケットの最上段に取り付けられ、打上げ時に何らかの破片に当っても、流線型の覆いであるフェアリング(Fairing)で囲われており、直接損傷することはありません。それに対して、スペースシャトルでは船外燃料タンクと接続されて下方にオービター(Orbiter)が配置されています。下方ということは、上部で外れた破片があたる確率が高くなります。地球帰還において最重要である熱防御システムがむき出しになっており、損傷を受けるとコロンビア号と同様な事故を招きかねません。

 スペースシャトルの設計要求には、外部燃料タンクの断熱材は剥がれ落ちてはいけないことが明記されていました。実際には、映像が取得できているスペースシャトルの打上げのうち、80パーセント以上で断熱材の剥がれ、落下が確認されていました。初期の飛行では断熱材の紛失は危険な問題として考えられていました。飛行の回数を重ね、重大事故も発生せずに地球に帰還できたので、徐々に飛行安全に関わる問題という認識は薄れていったようです。

 実際にコロンビア号(STS-107)の2回前であるアトランティス号(STS-112)の打上げ(2002年10月7日)において、コロンビア号と同様に外部燃料タンクの2脚ランプ部分から極めて大きな断熱材が剥離したことが確認されました。その断熱材は打上げ時に使用される固体ロケットブースター(SRB: Solid Rocket Booster)に衝突して、SRBが凹んで損傷していたことがわかりました。アトランティス号は国際宇宙ステーションの組み立て作業を完了して、地球に無事に帰還しました。その後、飛行安全の問題ではないと結論付けられて、スペースシャトルの打上げは継続されました。

 チャレンジャー号事故を独自に調査した社会学者Diane Vaughanが指摘し、起こりえない事態を許容するという「逸脱の標準化 (normalization of deviance)」に伴う重大事故が再び起こりました。


(4) 剥離した断熱材による損傷

 外部燃料タンクには、スペースシャトルの推進剤となる液化酸素及び液化水素が保管されていました。気体を液化できる臨界温度は、酸素で-187℃、水素で-240℃となります。極低温であり、保管するタンクの構造も低温となります。外気との熱移動を遮断するために断熱材が取り付けられます。断熱材が取り付けずらい箇所には、後からスプレーを吹きかけて発泡断熱材で覆います。打上げ時に熱と激しい振動等で発泡断熱材が剥離してしまうことが確認されていました。

 断熱材は発泡しており、それほど重くない材質でできています。それほど大きくない断熱材が剥離して機体に衝突したとしても、大きな損傷はできないように思われました。撮影されたビデオ映像からの解析によると、断熱材は外部燃料タンクから剥離した後、約0.161秒で左翼にぶつかったことを示しています。剥離した時の断熱材の速度 2,523 km/hから衝突した時の速度 1,645 km/hへ急激に減速しています。

 断熱材は密度が低く軽いため、空気抵抗で急激に速度が低下したため、短時間ですが相対速度は878 km/hとなり、衝突衝撃が大きくなったことが示されています。コロンビア号事故後、衝突再現試験が行われ、剥離した大きさの断熱材をその速度にて衝突させたところ、翼が破損することが実証されています。


(5) 地球大気圏再突入時の耐熱シールド

 地球に帰還するために機体を大気圏へ再突入した時、高速で大気に突入するため、空気加熱が発生して、機体の表面は高温になります。そのため、再突入する宇宙機には熱防護システムが重要となります。熱防護システムといっても、機体の表面に高熱も耐えられる耐熱タイルや強化炭素複合材(RCC)が取り付けれています。

 スペースシャトルの機首や翼前縁には、2000℃に達しても耐えられるように強化炭素複合材(RCC)が取り付けられています。機体の胴体下側には耐熱タイルが敷き詰められています。コロンビア号事故では、剥離した断熱材が最も重要な強化炭素複合材(RCC)部分に衝突して破損させています。

 シャトル以外の宇宙機では、耐熱シールドが傷つくことを防ぐため、通常は外部と接触できない構造となっています。ソユーズ(Soyuz)宇宙船では、地球に帰還するモジュールと大気圏で燃え尽きるモジュール間に耐熱シールドが面しており、大気圏突入前にモジュール間を分離した時に、耐熱シールドが初めて宇宙空間に曝露されます。

 耐熱シールドには、アブレータ(ablator)によってコーティングされるタイプもあります。アブレータは、炭素繊維で強化されたプラスチックで、熱で溶けることによって周囲の熱を吸収して、分解する際に気化して熱を捨て去ります。耐熱タイルや強化炭素複合材(RCC)と違って再利用はできません。

 SpaceX社のドラゴン(Dragon)宇宙船も再利用されていますが、耐熱シールドにはアブレータを採用しているようです。スペースシャトルの運用を考察して、耐熱タイルや強化炭素複合材(RCC)の保守にはコストが極めて高くなるため、アブレータ型の耐熱シールドを打上げ毎に交換することを選択したようです。


(6) 宇宙往還機に翼は必要あるのか?

 スペースシャトルの象徴として有翼の宇宙往還機であり、地球帰還後に滑空して空港に戻ってくる姿は将来性を感じさせました。技術的に考察すると、宇宙空間では空気が無いので翼は役に立ちません。打上げ時もロケットエンジンによる垂直離陸であるため、翼による揚力は必要ありません。スペースシャトルのミッションのうち、大気圏に再突入して最後の滑空のみに翼は有効でした。

 設計段階で翼が付加されたのは、米国国防総省DOD: Department of Defense)の要求を取り入れ、スペースシャトルを軍事利用する場合に帰還時に大きく旋回する能力を持たせるため、大きなデルタ型の翼が必要となりました。有翼宇宙往還機の構想はありますが、実際に飛行したのはスペースシャトルソ連のブラン(Buran)だけです。

 航空機のように、空港(Airport)ならず宇宙港(Spaceport)から水平離陸して、宇宙へ到達した後、水平着陸して宇宙港へ戻ってくる宇宙機は将来像なのかもしれません。宇宙旅行で計画されている地球を周回せず高度 100 kmに到達するサブオービタル(Suborbital)ならば可能かもしれませんが、地球周回軌道へ到達するためには大幅な技術革新が求められます。


(7) 人命優先であったのか?

 8日目(1月23日)、打上げ時に左翼に外部燃料タンクからの断熱材が衝突したことを、コロンビア号のクルーにも説明しており、衝突時の映像をビデオファイルで送信していました。過去にも同様な事象が発生しており、耐熱タイルや強化炭素複合材(RCC)の損傷は大きくなく、再突入に問題はないと回答していました。

 地上では、数学モデルを用いて断熱材衝突の影響を評価しており、再突入時に局所的に高熱による損傷は受けるが、構造的破壊につながることはないと結論を出していました。現実はコロンビア号を失う事故が発生しています。実際の状況を詳しく把握するため、地上から望遠カメラでコロンビアの損傷状況を撮影することが検討されていました。しかし、組織の壁やコミュニケーション不足によって撮影する機会は失われました。

 もし損傷が明らかであった場合、宇宙飛行士を救うための方策についても報告書には検討されています。次の打上げ準備が進められていたアトランティス号を打上げ、ランデブー・ドッキングを行い、コロンビア号クルーと共に戻ってくる。ただし、アトランティス号も同様に断熱材が衝突する可能性があるため、この救助策は決断が難しいと思われます。

 クルーとコロンビア号を喪失するリスクを下げるため、船外活動(EVA: Extra-Vehicular Activity)によって、翼の損傷部を緊急修理することです。コロンビア号に搭載された宇宙実験室(SPACELAB)を廃棄してオービターの重量を軽くし、左翼前縁に及ぼす熱影響を低減した再突入経路を通ることも提言されています。

 委員会の医学グループは、クルーの死因及び時期について推定を行っています。構造破壊を伴う大気圏突入において、コロンビア号の居住区が経験した加速レベルは致命的にはなりませんでした。居住区が残存してる期間にクルーは生存しており、居住区が破壊によって死因は外傷及び低酸素症と推定されました。死亡時刻は確定できていません。

 居住区のみで帰還でき、救急脱出ができれば、コロンビア号は失われましたが、クルーが生存する確率は残されました。スペースシャトルに事故は起きず、信頼性は高いとの安全神話を信じて、クルー緊急帰還システムは搭載されていませんでした。絶対に失敗が許されない有人機とリスクを抑えながら経済性や効率性を追究していく無人機では、設計要求レベルに天地の差があります。すべてを有人機基準で開発したのでは開発・製造コストも数桁高くなります。

 スペースシャトルの教訓として、人と荷物を一度に運ぶのではなく、無人機で荷物を宇宙に運び、安全・冗長設計を図って失敗確率はゼロに近く、どんな状況でも緊急帰還できる宇宙往還機のみを人員輸送に活用することになります。

 ときに人間は、経験からくる慣れや先入観に流され、事実に基づいていない判断をする。つまり、コロンビア号の事故におけるの判断は「前回まで事故なく飛行してきたのだから、今回も大丈夫だろう」という油断が生んだ、技術的な根拠に欠ける非合理的な意思決定だったのかもしれない。
 組織も、またそのなかに組み込まれた個人も、雰囲気で進むことが多い。ある社会学者はこのような意思決定のプロセスを「逸脱の標準化」と言っている。
 人間はミスを犯す。この大前提に立って、常に失敗から学ぶ姿勢を持たなければ、ミスをミスで隠すようなことも起こりかねない。
 重要なのは、失敗を隠さず、失敗に対して常に鋭敏にアンテナを張り、失敗から何かを学ぶ姿勢なのだと思う。やはり愚直なまでにそのような姿勢を貫くことで、また次の失敗の解決につなげていけるはすだ。

日本人宇宙飛行士・宇宙航空研究開発機構理事 若田 光一


(8) 飛行再開(Return to Flight)

 2005年7月26日-コロンビア号空中分解事故から2年半-、米国フロリダ州ケネディ宇宙センターからディスカバリー号(STS-114)が打上げられ、スペースシャトルの飛行が再開されました。ディスカバリー号には日本人宇宙飛行士 野口 聡一さんも搭乗しました。

 断熱材の剥離を無くすことは不可能で、ディスカバリー号の打上げでは、数多くの追尾カメラに見守られ、断熱材の剥離などを監視しました。飛行中にOBSS (Orbiter Boom Sensor System)と呼ばれた監視センサが先端に取り付けられた最長なブームを操作して、耐熱タイルや強化炭素複合材(RCC)が損傷していないかを調査しました。

 スペースシャトルの利用は国際宇宙ステーション組立てミッションに限定され、熱防御システムが損傷して地球帰還できない緊急事態が確認された場合、国際宇宙ステーションを宇宙飛行士の最終避難場所(Last Resort)として活用し、救助を待つことにしていました。ディスカバリー号は、国際宇宙ステーションにドッキングする前にRPM (R-Bar Pitch Maneuver)と呼ばれる前転をして、ステーション側からオービターの外観を撮影して健全であることを検証しました。

 野口宇宙飛行士はNASA宇宙飛行士Stephen Robinsonと共に船外活動(EVA)を行い、新規に開発された機器や手順を用いて、損傷した耐熱タイルや強化炭素複合材(RCC)の修復手法を試験しました。

 

 コロンビア号事故もチャレンジャー号事故の再来となる面もあり、責任追及だけしていても何も得られることはなかったでしょう。日本で同様な事故が起きたら、危険な試みは2度としないという結論となり、飛行再開はできないかもしれません。コロンビア号事故を顧みると、有人宇宙を先駆ける米国の底力として、反省することは反省して、教訓として新しい見地を得て、経験を蓄積しています。悲劇を乗り越えて宇宙へ向かうこと。そのための努力とチームを前向きに引っ張っていく方向づけの力強さを感じます。

 

STS-107 Launch

Debris


参考文献

  1. コロンビア事故調査報告書
  2. スペースシャトル飛行再開にむけたNASA実施計画書
  3. 飛行再開タスクグループ最終報告書
  4. 一瞬で判断する力
  5. 増補 スペースシャトルの落日 (ちくま文庫)
  6. チームが機能するとはどういうことか ― 「学習力」と「実行力」を高める実践アプローチ