巨大ロケットの騒音が建物を破壊する仕組み

サターン V ロケットを設計、製造したエンジニアたちは、それが巨大なロケットであることを知っていましたが、実際に地球を離れるのを目撃したときのことを、誰も完全には予想していませんでした。1967 年 11 月 9 日の朝、アポロ 4 号の 5 基の F-1 エンジンが轟音を立てて始動すると、数マイル離れた場所でも地面が揺れ、窓がガタガタと揺れました。見物人はサターン V の打ち上げを感じましたが、計画していたにもかかわらず、その物理的な感覚はエンジニアたちを驚かせました。

音の力

ロケットの打ち上げは必ず騒音を発します。そして、その騒音は一種の力です。私たちはそれについてあまり考えませんが、音は機械的な波であり、それが伝わる媒体の分子を振動させることで聞こえます。正確には「音響パワー」と呼ばれ、ロケットの打ち上げの場合、これはロケットの推力に出口速度を掛けた排気煙の機械的なエネルギーです。その騒音は、低周波数から中周波数の範囲に集中したさまざまな周波数に広がっています。まさにその範囲で、波が建物を損傷したり、人間を傷つけたりする可能性があります。

ロケット発射時の音響環境は 2 段階に分かれています。1 つ目はホールドダウンで、第 1 段エンジンがすべて作動しているものの、アームがロケットを所定の位置に保持して推力を発生させます。2 つ目はリフトオフで、ロケットが実際に飛び始めるときです。詳細は異なりますが、どちらの場合も、発射塔、地上支援装置、さらには発射室などの近くの建物などの露出した設備に動的な負荷がかかります。圧力波が変動し、構造振動が発生します。この振動は構造物や大気を通して増幅または伝達される可能性があります。

ロケット打ち上げでは、音波は低周波から中周波の範囲になる傾向があり、これは伝達されるエネルギーとパワーが損傷を引き起こすのにちょうどよい範囲です。基本的にあらゆるものが揺れますが、構造物として十分な強さで揺れたり、適切な周波数で揺れたりすると、損傷が発生する可能性が高くなります。

サターン V が建造されるずっと前から、エンジニアたちは、巨大なロケットの打ち上げに伴う強烈な音響環境が無視できないほどに大きくなることを知っていました。特に、そのロケットが地球から月までまっすぐに飛ぶ場合はなおさらです。

ノヴァ

NASA がアポロ計画で、モジュール型宇宙船を月に送り、重いコマンド・サービス・モジュールを地球の軌道上に残すというおなじみの月軌道ランデブー・ミッション・モードを採用する前に、同局は直接上昇という単純で強引なアプローチを検討した。まさにその名前が示すように、このモードではロケットは地球から月まで、どちらの天体も周回軌道上に停止することなく直接飛行する。宇宙船は満杯のまま月面に着陸し、乗組員が月面での作業を終えた後、同じ直線経路をたどって帰路につく。

このミッションをサポートするロケットは、ノヴァと呼ばれるコンセプトで、サターン V をはるかに上回るものでした。サターン V は、打ち上げ時に 750 万ポンドの推力を生み出すために、第 1 段に 5 基の F-1 エンジンを搭載していました。ノヴァは、合計 1200 万ポンドの推力を生み出すために 8 基の F-1 エンジンを使用するように設計されました。ノヴァは非常に大きく強力であったため、このコンセプトが最初に考案されたとき、エンジニアたちは打ち上げ時の音響プロファイルについて非常に懸念していました。

陸からでも海からでも

1950 年代後半、サターン ロケット ファミリーが誕生したばかりの頃、エンジニアたちは、巨大ロケットの打ち上げ時の音響環境を最もうまく処理する方法を模索し始めました。

エンジニアたちは、初期のアトラス打ち上げのデータを取り、それをスケールアップしてサターン ロケットの音響出力を推定しました。その推定値は大きなものでした。比較的小型のサターン C-1 は、発射台から 1,000 フィート離れたところで 205 デシベル、発射台から 10,000 フィート以内で痛みの閾値である 140 デシベルに達するほどの音響出力を持つと思われました。また、サターンが地面近くまで衝撃波を発生させ、周辺の住宅地に被害を与えるのではないかという懸念もありました。

陸軍試験局施設部門のエンジニア、リビングストン・ウェバーは、斬新な解決策を思いつきました。ケープカナベラルからは何年もロケットが打ち上げられていましたが、小型でした。ケープカナベラルから大型ロケットを打ち上げるのが問題になるなら、打ち上げ場所を沖合に移し、打ち上げ時の音響プロファイルを緩和する手段として海を利用するのはいかがでしょうか。

ウェバー氏は、ケープカナベラルの南東105マイル、グランドバハマ島の北35マイル弱の沖合に、改造されたテキサスタワーをサターンやその他の大型ロケットの打ち上げプラットフォームとして使うことを提案した。他の案としては、打ち上げ場所として埋め立て地や隔離された島のようなものを作るというものもあった。

このアイデアは、ケープ カナベラルでの打ち上げ業務を指揮し、ケネディ宇宙センターの初代所長となったカート デバス氏向けの報告書で最終的に検討されました。調査の結果、テキサス タワーが有利という結果が出ました。これは、打ち上げ時の音響が問題にならないような深海に建設できる構造物です。また、将来、他の大型ロケットに対応できるよう施設を簡単に拡張できるほど人里離れています。陸上の施設よりもはしけ船に燃料貯蔵庫を置く方がコスト面で有利です。

海に排出された排気ガスがどのような影響を与えるか、発射台を損傷するほどの波を起こすかどうかなど、疑問はあった。しかし、最終的により大きな懸念は、海洋建設の高コスト、海上での打ち上げ支援のロジスティックス上の問題、打ち上げ前に繊細なロケット段を組み立てて取り扱う際の安定性の問題であった。また、嵐による危険もあった。1961年、テキサスタワーに設置された米空軍の早期警報システムが嵐で破壊され、28人の命が失われた。

利点があったにもかかわらず、沖合発射場の構想は長続きしなかった。NASA が月面ミッションにノヴァではなく小型のサターン ロケットを選んだとき、十分なスペースがある限り、このロケットの音響特性は沖合発射場を必要とするほど有害ではないというデータが返ってきた。そこで妥協案として、メリット島を音響緩衝地帯として使用することとなった。

しかし、それはそれほど単純ではありませんでした。発射台の上や近くには、打ち上げ時の音響を考慮して設計しなければならない構造物があります。つまり、ロケット組立棟です。サターン V の打ち上げに伴う音圧と振動は、エンジニアが十分に考慮しなければならなかった問題でした。なぜなら、打ち上げ施設はロケット組立棟から 3 マイル離れているにもかかわらず、約 145 デシベルの音響パワーが構造物を損傷する可能性があるためです。解決策は、打ち上げ時の音響からロケット組立棟と内部のあらゆるものを保護するため、断熱アルミパネルを鋼鉄の桁に固定してロケット組立棟を建設することでした。

オフショアローンチの再検討

沖合発射施設というアイデアは完全に消滅したわけではない。1989 年の宇宙会議議事録の報告書では、ロケットが今後さらに大型化し、騒音も大きくなると予想されるため、沖合発射施設は価値のある投資になる可能性があると論じられている。この論点は、ケネディ宇宙センター/ケープカナベラル空軍基地とヴァンデンバーグ空軍基地の両方で拡張スペースが限られていることを特に指摘している。深海移動式発射プラットフォームは、既存の施設に負担をかけたり、周囲の自然環境に影響を与えたり、近隣住民に脅威を与えたりすることなく、さまざまなサイズのロケットをさまざまな頻度で発射できる可能性がある。もちろん、これは依然として技術的な課題ではあるが、沖合石油掘削が成熟するにつれて、沖合発射プラットフォームの潜在的な技術も成熟すると報告書は主張している。

しかし、沖合の打ち上げプラットフォームの問題は、1973年のサターンVロケットの最終飛行以来、同ロケットに近いサイズのロケットは打ち上げられていないため、ほとんど意味をなさない。しかし現在、SpaceXは、惑星間輸送システムを、サターンVロケットが月へのアポロ計画を打ち上げたのと同じ発射台である39番発射施設から打ち上げることを提案している。つまり、このはるかに大型で、したがって音が大きく、音響効果も大きいロケットが地球を離れるときに、VABはまだ3マイル離れた場所にあることになる。このロケットの音響プロファイルの研究によって、おそらく沖合など、新しい打ち上げ場所が必要になるかどうかは、待ってみなければならない。

出典: Space.com、NASA、NASA、1989 Space Congress Report、NASA、Motherboard、Benson および Faherty 著「Moonport」、NASA の Debus の経歴。