KARI、国産ヌーリロケットの2回目の試験飛行で軌道に到達

韓国航空宇宙研究院(KARI)は、ヌリとしても知られる韓国宇宙ロケット(KSLV)-IIロケットの2回目の打ち上げを実施した。 これは、前回のミッションで軌道にほぼ到達したヌーリの飛行復帰でした。 ロケットは6月21日韓国時間16時（協定世界時7時）に羅老宇宙センターの第2発射施設（LC-2）から打ち上げられた。

この打ち上げは、ヌリにとって2回目のデモンストレーション飛行であり、KARIにとって全体としては5回目の軌道打ち上げの試みであった。 この飛行で、ヌリは1.2メートルトンの質量シミュレータ、162.5kgの性能検証衛星(PVSAT)、4台のCubeSat、およびダミーのCubeSatを軌道に乗せることに成功した。

ロケットとペイロードの概要:

ヌリは韓国の第 2 世代軌道ロケットです。 このロケットは軌道に到達した初めての国産ロケットである。 韓国初の軌道ロケットは、Naro-1 としても知られる KSLV-I でした。

Naro-1 は、韓国とロシアが共同開発した小型衛星軌道打上げシステムです。 最初の段階は、RP-1/LOX RD-151 エンジンを使用するロシア製の改良型ユニバーサル ロケット モジュール (URM)-1 でした。 その第2段には韓国製の固体燃料ロケットモーターが使用された。 2 段構成のこのロケットは、144 mT、直径 2.9 メートル、高さ 33 メートルで、100 kg のペイロードを地球低軌道 (LEO) に運ぶことができます。

Naro-1の打ち上げ (クレジット: KARI)

ナロ 1 号は、STSat-2A 探査機を搭載し、2009 年 8 月 25 日に初飛行を完了しました。 第 1 段が停止した直後、ペイロードフェアリングが分離しなかったため、飛行は軌道に到達できませんでした。 フェアリングの余分な質量により、第 2 ステージは軌道速度に達することができませんでした。

Naro-1 の 2 回目の打ち上げは、1 年弱後の 2010 年 6 月 10 日に行われました。このミッションでは、ロケットは STSat-2B 衛星を軌道に乗せることを試みました。 しかし、打ち上げから137秒後、打ち上げロケットは失われてしまいました。 失敗の原因についてはまだ議論が続いている。

2年半後、3番目で最後のNaro-1号がSTSat-2C衛星の軌道に到達することに成功した。 韓国初の軌道に到達したロケットとして、韓国は軌道に到達した11番目かつ最も最近の国となった。 この飛行の後、Naro-1 は退役し、より大型の国内開発ロケットが採用されました。

ヌリは、太陽同期軌道 (SSO) まで 1,500 kg を持ち上げることができる 3 段式ロケットです。 第 1 ステージは 4 基の Jet-A/LOX KRE-075 エンジンを搭載しています。 各エンジンは、真空中で 298 秒の比推力で 735 kN の推力を生成します。 合計 4 つのエンジンは 2,942 kN の推力を生成し、127 秒間燃焼します。 このステージは直径3.5メートル、高さ21.6メートルです。

第 2 ステージは、真空最適化された Jet-A/LOX KRE-075 エンジンを搭載しています。 この真空最適化エンジンは、比推力 315.4 秒で 788 kN の推力を生成します。 飛行中、このステージは 148 秒間燃焼します。 第 2 段は第 1 段に比べて直径 2.6 メートル、高さ 13.6 メートルと小型です。

ヌリの第 3 段は、ロケットの最小かつ最終段です。 このステージは、単一の Jet-A/LOX KRE-007 真空エンジンによって駆動されます。 このエンジンは、比推力 325 秒で 68.7 kN の推力を生成します。 打ち上げ中、このステージは約 500 秒間燃焼し、ペイロードを目的の軌道に配置します。

ペイロードフェアリングを装着したロケットの高さは 47.2 メートル、直径は 3.5 メートル、質量は 200 mT です。

ヌリのエンジンはそれぞれ、ガス発生器サイクルを使用してターボポンプに電力を供給します。 各エンジンはヌーリでの飛行に備えて地上でのテストを完了しました。 KRE-075 エンジンとヌリ ロケットのいくつかの要素を評価するために、KARI は 2018 年 11 月 28 日に KSLV-II 試験ロケット (KSLV-II TLV) を打ち上げました。

小型準軌道打ち上げロケットは飛行に成功し、209 キロメートルの遠地点に到達し、その単一の KRE-075 エンジンは 151 秒間燃焼しました。 この試験飛行の後、KARI は後に KRE-007 エンジンの飛行を認定しました。 複数のテストキャンペーンを経て、最初のヌリロケットは初打ち上げの準備が整いました。

比較的スムーズなカウントダウンの後、ロケットの追加検査のため 1 時間の遅れを除いて、ヌーリは 10 月 21 日の協定世界時 08 時に LC-2 から最初の軌道への飛行を試みました。 打ち上げ後、車両は飛行マイルストーンのほとんどを無事に通過しました。 第 1 ステージと第 2 ステージは計画どおりにフェアリングが分離され、完璧に動作しました。

第 3 段は点火し、公称燃焼時間 521 秒のうち 475 秒間良好に作動しました。 飛行開始475秒でエンジンが早期に停止したため、ステージは軌道速度をわずかに下回って終了した。 1.5 mT 質量シミュレーターは依然として第 3 ステージからの分離に成功し、目標の高度 700 km に到達しました。

飛行中に収集されたデータを徹底的に調べた結果、いくつかの異常なイベントが発見されました。 T+ 36 秒で、3 段目のタンクトラス支持構造とペイロードアダプターで公称外の振動が検出されました。 その後、第 3 段ヘリウムタンクからヘリウムが漏れ始め、LOX タンク内の圧力が上昇しました。

https://twitter.com/kari2030/status/1453181710917529601?s=20&t=MoNywLHedmgoPwL7ucwh5w

32 秒後、第 3 段 LOX タンクの圧力が低下し始め、タンク上半分の表面温度が急激に低下しました。 最後に、飛行開始後 T+115.8 秒で、ヘリウム タンクの圧力が低下し始め、LOX タンクの圧力が再び上昇しました。 第 3 ステージ LOX タンクの圧力が増減したにもかかわらず、ステージはまだしばらく動作することができました。

2021年12月に障害の原因が発表された。 飛行中の加速度の増加と、それに伴う LOX タンク内のコンポーネントの浮力の増加により、第 3 段 LOX ヘリウムタンクのアンカーが破損しました。 アンカーの破損によりヘリウムタンクが外れ、LOXタンクの周囲を動き始めた。 ヘリウムタンクが動き回ることでタンクが損傷し、亀裂が生じ、さらなるヘリウムとLOXの漏れが発生しました。

最終的に、漏れがひどくなり、KRE-007 エンジンに LOX を供給できなくなりました。 LOXがエンジンに供給されなかったため、エンジンが早期に停止し、飛行が終了した。

調査が完了した後、飛行中に見られた浮力の増加を補うためにアンカーに変更が加えられました。 ヌーリの2回目の飛行は、車両へのこれらの変更を実施するために、2022年5月19日から2022年6月中旬に延期されました。

最初の飛行から学んだ教訓を活かし、2 番目の飛行では 5 つのアクティブペイロードと 2 つのパッシブペイロードを搭載しました。 ヌリに搭載された最大のペイロードは 1.2 mT 質量シミュレーターでした。 この質量シミュレータは、ヌリの初飛行で見られた 1.5 mT シミュレータに似ています。 ただし、上部には PVSAT 用のペイロード アダプターがありました。

PVSATは、国産衛星ハードウェアとヌーリの飛行性能を検証する試験衛星です。 この衛星は比較的小型で、サイズは約 0.93 x 0.9 x 0.89 メートル、質量は 162.5 kg です。 太陽電池は宇宙船の電力供給に使用されます。 衛星には宇宙環境での試験を行うための国産部品5個が搭載されている。

PVSATの模型（右）と質量シミュレータ（左、上にPVSATが搭載されている）。 PVSAT 上の 5 つの CubeSat ベイに注目してください。 (クレジット: KARI)

1 つ目は、温度差を利用して発電する 1 キログラムの電気加熱式熱電発電機 (ETG) です。 この技術は月探査や開発プログラムに使用できる可能性がある。 もう 1 つの機器は、高速姿勢制御用のアクチュエーターとして機能する 9 キログラムのコントロール モーメント ジャイロスコープ (CMG) です。 CMG は、将来のミッションに向けてジャイロスコープ技術をテストするために使用されます。

400 g の半球 S バンド アンテナが冗長アンテナとして使用されます。 このアンテナは、テレメトリ/コマンド送信用の S バンド アンテナの性能をテストするために使用されます。 宇宙船ではビデオカメラシステム（VCS）が使用されます。 VCS は、宇宙船から行われる CubeSat の放出を記録するために使用されます。 捕捉されたデータとビデオは、S バンド アンテナを使用して地球に送信されます。

衛星上には 5 つの CubeSat デプロイヤーがあり、そのうち 4 つは大学が構築した CubeSat を保持しています。 最大の Cubesat は 6U STEP Cube Lab-II で、質量は 9.6 kg です。 このCubeSatは、韓国初の電気光学中赤外線マルチバンド地球観測ミッションとして光学中赤外線/赤外線カメラを搭載している。 2 番目に大きいのは 3U SNUGLITE-II で、質量は 3.8 kg です。 この CubeSat は、GPS 受信機を搭載した教育用アマチュア無線衛星として使用されます。

次は、質量 3.7 kg の 3U 超小型衛星によるエアロゾルモニタリング用マルチスペクトルイメージング (MIMAN) です。 MIMAN はマルチスペクトル イメージングを使用してエアロゾルを監視します。 リピーター配置および災害早期ビュー (RANDEV) は、4 番目で最後のアクティブな CubeSat です。 この 3U/3.2 kg の CubeSat は、火山、海岸、雲から潜在的な危険の画像を収集するために使用されます。

PVSAT の最後の CubeSat は 3U のダミー衛星でした。

初打ち上げ前の LC-2 の上に立つ Nuri 。 (クレジット: KARI)

PVSATは6月上旬に1.3mT質量シミュレータに搭載された。 その後すぐに、ペイロードはペイロードフェアリングにカプセル化されました。 ペイロードがカプセル化された状態で、第 3 段とペイロードはロケットの残りの部分と統合されるように移送されました。 6月12日までに打ち上げの準備はすべて完了した。

打ち上げ：

打ち上げの最終準備は、打ち上げ前日にヌリが発射場に移動することから始まります。 車両は組立棟から 1.8 km の距離を時速 1.5 km で移動します。 この旅には約1時間20分かかりました。 LC-2に到着後、韓国時間約10時にロケットは垂直に上昇し始めた。

一日かけて、発射台とロケットへの接続が確立されました。 電気、TVC、通信、油圧のチェックも完了しています。 韓国時間の21時頃に最終準備が完了します。

打ち上げ日の準備は韓国時間の午前9時（T-7時間）に始まり、発射台とロケットの検査が行われます。 T-5時間30分、推進剤タンクの点検が完了。 2 時間後、地上職員はパッドから避難し、給油を開始します。 T-打ち上げの 2 時間前、推進剤の装填が始まります。

推進剤の装填はT-1時間20分に終了した。 T-1 時間に、発射台は水平発射位置に移動されました。 打ち上げの 30 分前に、システムの最終チェックアウトとゴー/ノーゴーの投票が完了します。 自動打ち上げオペレーション (PLO) は打ち上げの 10 分前に始まります。

ヌリは初飛行に成功した。 (クレジット: KARI)

T-0 で、第 1 段エンジンが点火し、車両が離陸します。 打ち上げ直後、機体は打ち上げ方位角 170 度に達するためにピッチ操作を開始します。 飛行開始からわずか 1 分以内に、車両はマッハ 1 に達します。

推進剤がなくなると、飛行開始から約 2 分 7 秒後に第 1 段が停止します。 すぐに第 1 ステージが第 2 ステージから分離され、第 2 ステージのエンジンが点火します。

飛行開始からほぼ 4 分で、ペイロードフェアリングが分離され、ペイロードが宇宙に露出します。 34 秒後、第 2 ステージはエンジンを停止し、第 3 ステージから分離します。 その直後、第 3 段が点火し、新たな方位角 191 度に到達するためにくの字運動を行いました。

打ち上げから約 13 分後、第 3 段が停止します。 ヌーリは、軌道速度7.5km/sで98.2度傾斜した700kmの円軌道に到達することに成功した。 エンジン停止から 100 秒後、PVSAT がロケットから分離されます。 その後、ステージは 90 度に傾き、PVSAT が分離してから 70 秒後に質量シミュレータが分離されました。

打ち上げから 42 分後、PVSAT は地上局との通信を開始します。 衛星が正常であることを確認した後、6月23日から2日おきにCubeSatの展開を開始する。6月23日、STEP Cube Lab-IIが最初に分離され、1年間のミッションを開始する。 2日後、RANDEVは分離し、6か月間の任務を開始する。 次は 6 月 27 日、SNUGLITE-II 衛星が 1 年間のミッションを開始します。 最後に、6月29日にMIMANは分離され、6か月間の任務が開始されます。

この立ち上げ後、KARI は忙しい数か月間を過ごします。 8月2日（東部夏時間）、SpaceXのファルコン9がKARIの月周回船ダヌリを打ち上げる。 このファルコン 9 には飛行実績のあるブースターが搭載されており、月周回船を月への旅に送り出します。

納品前の最終加工中のダヌリ。 (クレジット: KARI)

KARI はまた、Nuri の 3 回目の打ち上げに向けた準備を開始します。 この 3 回目の打ち上げは 2023 年 1 月に行われる予定で、おそらく NextSat 2 を搭載します。このミッションに続いて、ヌリは 2027 年までの複数年にわたって数回の打ち上げを計画しています。

KARI は、Nuri を使用して学んだ教訓を活用して、仮称の KSLV-III を開発します。 KSLV-IIIはKARIの次世代ロケットで、約3.5mTを静止転移軌道に送るように設計されている。 この 2 段ロケットは、第 1 段に推力 100 トンの RP-1/LOX エンジンを 5 基、第 2 段に推力 10 トンの RP-1/LOX エンジンを 2 基使用します。 このロケットについては、ファルコン 9 と同様の第 1 段を着陸させるなど、多くのアイデアが提案されています。このロケットは 2030 年代に打ち上げられる予定です。

(先頭の写真: ヌーリは 2 回目の飛行で離陸し、最初に軌道に到達することに成功しました。クレジット: KARI)