LE-9
LE-9は、宇宙航空研究開発機構（JAXA）が三菱重工業とIHIと共に開発したH3ロケットの第1段用液体燃料ロケットエンジンで、世界初の第1段用の大推力エキスパンダーブリードサイクルエンジン[1]。燃料に液体水素、酸化剤に液体酸素を使用し、H3ではペイロードの重量や投入軌道に合わせてLE-9を2基又は3基にクラスター化して用いる[2]。「キー技術関連事業者」として三菱重工業がエンジンシステムを、IHIがターボポンプの開発を担当している[3]。
概要
編集H3の先代機のH-IIA/Bでは、第1段用ロケットエンジンLE-7Aのエンジンサイクルに二段燃焼サイクルを採用している。二段燃焼サイクルは燃焼室で発生する燃焼圧を大きくすることが他のエンジンサイクルよりも容易であり比推力向上の点で優れているが、配管・タービン各所が高温高圧に晒されるため頑丈に製作する必要がありプリバーナー室等の追加の造作も必要なため製造コストが嵩む。
一方、現在の衛星打ち上げ市場において受注を勝ち取るためにはロケットの製造費用を下げて打ち上げ費用を下げることが重要である。このため、H3の1段目エンジンLE-9では従来の高価で複雑な二段燃焼サイクルにかわり、日本で最初に実用化された簡素で信頼性のあるエキスパンダーブリードサイクルを採用することにした。これによりLE-9の部品点数はLE-7Aより20%少なくなる[4]。エキスパンダーブリードサイクルエンジンの開発と運用の前例として第2段用の推力 137 kN 未満のLE-5A/Bエンジンの実績はあるが、同サイクルはターボポンプの駆動エネルギーを燃焼室からの吸熱に頼るという物理的制約から大推力を生成することが難しく、第1段用エンジンとしての実用化は世界初の試みとなるため、1471 kN という大推力が必要とされるLE-9の開発はH3における最も挑戦的な開発要素となる[5][6]。
研究・開発
編集LE-5AとLE-5Bの開発経験によりエキスパンダーブリードサイクルエンジン開発の第一人者であった三菱重工は、同サイクルエンジンの大型燃焼室製造技術に関する先行的研究のために、1999年からプラット・アンド・ホイットニー・ロケットダインと共同で、真空中推力 16–27 tf、真空中比推力 467 秒 の上段用エンジンMB-XX（MB-35とMB-60）の研究を開始し、2005年に燃焼実験を行った[7][注 1]。
この上段用エンジンMB-XXの研究と並行して、2002年からJAXAは将来ロケットの第1段に大推力エキスパンダーブリードサイクルエンジンを適用する検討と研究を開始し、2010年からはJAXAが主導し、上記2社に加えてIHI、物質・材料研究機構、産業技術総合研究所も参画して、真空中推力 1450 kN、真空中比推力 430 秒 の第1段用技術実証エンジンLE-X実証研究を開始して、コンピュータ・シミュレーション（数値シミュレーション）を広範に取り入れながら要素技術の研究を行い、大推力エキスパンダーブリードサイクルエンジンの成立性の検証を行った[9][10]。
そして2015年から、LE-Xの実証研究の成果を生かしてLE-9の開発が開始された[10][3][11][12]。大推力を発揮するためにはターボポンプの大幅な性能向上が必要となるが、そのためには三菱重工が担当する燃焼器を大型化して吸熱・製造技術を向上させてタービン駆動ガスを高温化することと、IHIが担当する液体水素ターボポンプのタービンを高性能化させることが鍵となる[11]。
大型化したLE-Xの燃焼器では大きな圧力変動（燃焼振動）が問題となったが、LE-9では噴射器エレメント長さに変化をつけることで共振の発生を抑え、圧力変動を吸収するレゾネータを燃焼室に付けることで燃焼安定性を大幅に向上させた[13]。一方で2017年から行われていた実機型エンジンの燃焼試験においては、2018年11月以降に行われた試験において、共振により液体水素ターボポンプのタービン動翼に疲労破面を確認した。また、機械加工の噴射器と3D造型の噴射器に特性の違いが確認された。このため、この時点では従来通りの機械加工による噴射器を適用して、固有振動値を運転領域から外したタイプ1エンジンを先に認定し試験機1号機で使用し、その後に3D造型噴射器と固有振動値そのものを排除する抜本対策を施したタイプ2エンジンを認定して試験機2号機に使用する開発方針であった[14]。
2020年2月13日には、8回目の第1段厚肉タンクステージ燃焼試験が3基の実機型エンジンで行われた[15][16][17]。
しかし2020年5月26日から始まった認定型タイプ1エンジンの燃焼試験で、固有振動値を運転領域から外したはずの液体水素ターボポンプのタービン動翼に共振による疲労破面が再び確認され、新たにエンジン燃焼室内壁には高熱による幅0.5mm長さ1センチほどの穿孔が14か所見つかった[18]。当初は再び確認された共振運転領域をさらに避けて運転するタイプ1エンジンを作成する予定であったが、検討の結果、固有振動値を運転領域から外すタイプ1エンジンの対策が有効ではない事が判明した。このため液体水素ターボポンプのタービン動翼の形状や枚数を見直して、念の為に液体酸素ターボポンプについても同様に設計を見直して共振対策をし、燃焼室内壁の穿孔については液体水素の噴射量を増やすことで冷却機能を強化すると同時にエンジンの起動・停止パターンを見直して熱対策をすることになった。これらの新たな対策を施した新たな開発仕様を実証してから試験機1号機を打ち上げることになり、H3ロケットの打ち上げは2021年度に1年延期されることになった[19][20][21]。
2022年1月、JAXAはLE-9の技術的課題に対して「一定の技術的な目途を得ることができた」としながらも、「ターボポンプの翼の振動データからその他にも配慮すべき事象も確認された」ことにより、H3ロケットの打ち上げ予定時期は明言できないと再延期された[22]。JAXAは、出来る限り早く開発スケジュールの目処を立てたいとしている[23]。
2022年9月、JAXAは記者説明会を行い、2022年度内にH3ロケットの初打ち上げを目指すことを発表した。これによると、JAXAはLE-9の問題をできるだけ早く解決するために、組織と企業の垣根を超えた「ターボポンプ開発推進室」を設置したほか、複数の設計チームを編成して複数の問題解決案に基づいて同時並行で設計開発させた。各設計チームが液体水素と液体酸素の各ターボポンプに対して「0の矢」と呼ぶ最小限の設計変更から「3の矢」と呼ぶ最大限の設計変更までの4案づつ計8案に基づいて設計開発し、このうちどの設計変更案（矢）が最適かを比較検討して判断した。その結果、H3試験機1号機用のエンジンの液体水素ターボポンプには、2021年10月に一部改善効果を確認したタービンを追加工して減衰力を強化する「0の矢」と呼ばれる設計変更案が、液体酸素ターボポンプには、2021年6月に用いたタービンを基にタービン入り口部の流れの不均一性を抑制する「1の矢」と呼ばれる設計変更案が最適と判断し、11月に実機型ステージ燃焼試験を行なった[24][25]。
2022年11月に最終試験となるエンジン燃焼試験を行い[26]、12月23日に試験機1号機の打ち上げ日が2023年2月12日に決定された[27]。
試験機1号機でのタイプ1、試験機2号機以降でのタイプ1A、恒久的に使う仕様のタイプ2と段階的な開発が行われている[28][29]。
諸元
編集| LE-9[30] | 技術実証エンジンLE-X(参考) | LE-7A長ノズル(参考) | |
|---|---|---|---|
| 燃焼サイクル | エキスパンダブリードサイクル | エキスパンダブリードサイクル | 二段燃焼サイクル |
| 真空中推力 | 150.0 tf (1,471 kN) | 148 tf (1,450 kN) | 112 tf (1,100 kN) |
| 混合比 | 5.9 | 5.9 | 5.9 |
| 真空中比推力 | 425 s | 430 s | 440 s |
| 燃焼圧力 | 10.0 MPa | 12 MPa | 12.3 MPa |
| LH2ターボポンプ回転数 | 約42,000 rpm | 40,000 rpm | 41,900 rpm |
| LOXターボポンプ回転数 | 約17,000 rpm | 16,500 rpm | 18,300 rpm |
脚注
編集注釈
編集出典
編集- ^ 松浦晋也 (2021年2月2日). “H3ロケットの主エンジン「LE-9」熱効率向上で世界初に挑戦”. 日経ビジネス. 2022年2月23日閲覧。
- ^ “H3ロケットの開発状況について” (PDF). 文部科学省 宇宙開発利用部会 (2016年2月2日). 2016年2月24日閲覧。
- ^ a b “2020年：H3ロケットの目指す姿” (PDF). JAXA (2015年7月8日). 2016年2月24日閲覧。
- ^ “JAXA's No.062” (PDF). JAXA (2015年10月). 2018年10月22日閲覧。
- ^ ““魔物”のロケットエンジン、LE-9開発に挑む H3プロジェクトマネージャー、JAXAの岡田匡史氏に聞く（その2）”. 日経BP社 (2015年10月5日). 2016年1月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年2月24日閲覧。
- ^ “三菱重工｜MB-XX”. 2016年2月24日閲覧。
- ^ “ロケット用上段エンジンMB-XXの実証エンジン燃焼試験に成功” (2005年9月16日). 2008年11月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年5月29日閲覧。
- ^ “姿を現した次世代の大型ロケットエンジン「LE-9」 第2回 2020年の打ち上げに向けたスケジュール”. マイナビニュース (2017年11月27日). 2019年12月25日閲覧。
- ^ a b “三菱重工技報,第48巻第4号「LE-Xエンジン開発へ向けた取り組み」” (PDF). 2016年2月24日閲覧。
- ^ “IHI技報,第49巻第3号「LE-Xエンジン用ターボポンプの研究」” (PDF). 2016年2月24日閲覧。
- ^ “三菱重工技報,第55巻第2号「H3 ロケット１段用LE-9 エンジンの燃焼安定性予測技術及び対策技術開発」” (PDF). 三菱重工 (2018年). 2019年11月30日閲覧。
- ^ “H3ロケットの開発状況について” (PDF). JAXA (2019年12月10日). 2020年3月26日閲覧。
- ^ (日本語) 2020年2月13日に行われたH3ロケットの大型エンジン「LE-9」3基による燃焼試験(BFT)の様子 (C)JAXA 2020年3月26日閲覧。
- ^ “第8回 第1段厚肉タンクステージ燃焼試験結果｜H3｜ロケット｜JAXA 第一宇宙技術部門 ロケットナビゲーター”. www.rocket.jaxa.jp. 2020年3月26日閲覧。
- ^ “LE-9エンジン×3基の燃焼試験が初公開、H3ロケットのBFTは全て無事に完了!”. マイナビニュース. (2020年2月19日)
- ^ (日本語) 【録画】LE-9エンジンの開発状況について 2021年4月17日閲覧。
- ^ 日本放送協会. “日本の主力ロケットH3 打ち上げ1年延期し来年度に JAXA”. NHKニュース. 2020年9月11日閲覧。
- ^ “JAXA、H3ロケットの開発計画を見直し - LE-9エンジンに技術的課題を確認”. マイナビニュース. 2020年9月14日閲覧。
- ^ “H3ロケット開発を襲った“魔物”とは？、エンジンに見つかった技術的課題 2/2”. マイナビニュース. (2020年9月24日)
- ^ “H3ロケットの試験機1号機の打上げについて”. 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 (2022年1月21日). 2022年1月21日閲覧。
- ^ 日本放送協会. “JAXA 日本の新たな主力ロケット「H3」の打ち上げ延期 正式発表”. NHKニュース. 2022年1月22日閲覧。
- ^ H3ロケット、2022年度内の打ち上げ目指す。対策案を並行開発し、延期の原因となった振動問題を解決【宇宙ビジネスニュース】 宙畑 2022年9月5日
- ^ 「困難は技術を飛躍させる」—H3ロケット、2022年度打ち上げへ正念場 三菱電機 2022年9月22日
- ^ “新型ロケット「H3」 発射地点でメインエンジン燃焼試験 鹿児島”. 日本放送協会 (2022年11月7日). 2022年11月8日閲覧。
- ^ “JAXA | H3ロケット試験機1号機による先進光学衛星「だいち3号」(ALOS-3)の打上げについて”. JAXA | 宇宙航空研究開発機構 (2022年12月23日). 2022年12月25日閲覧。
- ^ “H3ロケット用LE-9認定型エンジン燃焼試験の実施について｜LE-9｜エンジン｜ロケット｜JAXA 宇宙輸送技術部門”. www.rocket.jaxa.jp. 2024年3月1日閲覧。
- ^ 株式会社インプレス (2024年2月16日). “H3ロケット2号機打ち上げ成功 基幹ロケットの意義とこれから”. Impress Watch. 2024年3月1日閲覧。
- ^ “H3ロケット基本設計結果について” (PDF). JAXA (2016年6月14日). 2016年6月21日閲覧。