1. 尾崎克久（昆虫食性進化研究室）

幼虫が脱皮に失敗して死んでしまうことは比較的よく観察される現象ですが、原因まではわからないというのが正直なところです。
蛹化は、幼若ホルモンが減少した状態で脱皮ホルモンが分泌されることで起こります。蛹化時の行動の基本的なパターンは、
1 液状の糞を出しておなかの中を空っぽにする
2 数メートル歩いて蛹化場所を見つける
3 糸を吐いて蛹化のための足場と支えの輪っかを作る
4 糸の輪をくぐって前蛹になる
5 内部から外皮に圧力をかけて脱皮して蛹になる
となります。

ここからは個人的な印象でしかないのですが、蛹化の脱皮で失敗する原因は下記のどれかではないかと考えています。
・脱皮ホルモンが分泌されるまでに、何らかの理由で充分な餌を食べていなかった
・周囲の湿度が低かったため、脱皮しきる前に体が固まり始めてしまった
・若齢期に負荷の高いストレスを経験したことで、発育に悪影響が残ってしまった

幼虫で過ごす期間については、変温動物なので有効積算温度によって決まります。充分な量の餌を食べていてもいなくても、一定の温度の積算を経験すると発育ステージが進みます。一般的に、オスは先に蛹化してメスが数日遅れる傾向が見られます。
終齢幼虫の期間が3週間というのは、夏場としては長すぎるので、何か異常があったのかもしれないですね。

明確な回答になっておらず、申し訳ないです。

4. 尾崎克久（昆虫食性進化研究室）

残念ながら、脱皮に失敗したのではないかと思います。
幼虫が脱皮をする時は、頭部と胸部の境目の背面側に、体液を集めて内部から圧力をかけて表皮を破ります。
稀にうまくその部分を破れない個体がいるのですが、それでもその後の脱皮に関する現象は発育プログラム通りに進行が継続しますので、そのまま死んでしまうことがあります。
飼育環境下では、湿度が低いと脱皮に失敗するケースが増えますが、雨が続いていたのでしたら原因は別のところにありそうですね。