打ち上げ失敗から生まれた希望 - 第1段エンジン「LE-9」

2014年度から開発が始まった、新型基幹ロケット「H3」。2020年度に試験機1号機が打ち上げられる予定で、現在活躍中のH-IIAロケットやH-IIBロケットの後継機となることが計画されている。

H3ロケットは宇宙航空研究開発機構(JAXA)と三菱重工業とが共同で開発を行っており、2015年度からはロケットの基本設計が始まっている。また7月2日には、それまでの「新型基幹ロケット」という呼び名に代わり、ついに「H3」という正式名称が与えられるなど、徐々にその姿が明らかになりつつある。

本連載では、H3の開発状況について、新しい情報などが発表され次第、その紹介や解説などを随時、お届けしていきたい。

今回は、H3の第1段に採用される新型ロケット・エンジン「LE-9」について見ていきたい。

新型ロケット・エンジン「LE-9」

ロケットの第1段には、「LE-9」という新しく開発されるロケット・エンジンが装備される。1基あたりの推力は150トンで、前回触れたように、ミッションに応じてこのエンジンを2基装着するか、あるいは3基装着するかを選択することができる。

LE-9は、現在H-IIAロケットやH-IIBロケットの第1段エンジンとして使用されている「LE-7A」と同じく、燃料に液体水素、酸化剤に液体酸素を使う。だが、エンジンを動かすための仕組みが、LE-7Aから大きく変更されることになった。これはH3にとって最大の目玉であり、日本の宇宙開発にとっても大きな決断となる。

液体ロケット・エンジンの多くは、ターボ・ポンプという強力なポンプで燃料と酸化剤(この2つを合わせて推進剤という)を燃焼室に送り込んで燃焼させ、発生したガスを噴射してロケットを飛ばしている。このターボ・ポンプを動かすために、タービンという羽根車を回す必要がある。

このタービンを動かす仕組みとして、LE-7Aでは「二段燃焼サイクル」という方式が使われている。これは、まずプリ・バーナーという小さな燃焼室で推進剤を燃やし、そのガスでタービンを回してターボ・ポンプを動かし、燃焼室に大量の推進剤を送り込み、さらにタービンを回したガスも燃焼室に送り込んで燃焼させるというものである。推進剤を2段階で完全に燃焼させることから、この名がある。

この仕組みは、推進剤をいっさい無駄にすることなく噴射の力として使えるため、性能の良いエンジンにできるという長所がある。しかし、エンジンの構造が複雑で、また各所にかかる圧力や温度の条件が厳しく、どこかで不調が起きると途端に爆発する可能性があり、さらにエンジン始動のタイミングの制御も難しいなど、製造や運用が難しいという短所もある。

一方、LE-9では「エキスパンダー・ブリード・サイクル」という方式が使われる。この仕組みはプリ・バーナーを持たず、燃料を使ってエンジンの燃焼室やノズルを冷却し、その際に発生したガスを使ってタービンを回す。そしてそのガスは噴射には使われず、そのままロケットの外に捨てられる。これにより、効率や性能は二段燃焼サイクルよりも劣るものの、構造が簡素で造りやすいという特長がある。また壊れにくいため安全性も高く、運用もしやすい、頑丈なエンジンである。

エキスパンダー・ブリード・サイクルはすでに、H-IIロケットの第2段エンジンの「LE-5A」や、H-IIA、H-IIBの第2段エンジン「LE-5B」、「LE-5B-2」で採用されており、日本にとっては得意とする技術でもある。

打ち上げ失敗から生まれた希望

エキスパンダー・ブリード・サイクルの頑丈さは、過去にH-IIロケット8号機の打ち上げで、期せずして実証されている。

H-IIの8号機は1999年11月15日に打ち上げられたものの、失敗に終わったミッションだ。H-IIの第2段には通常LE-5Aを使うが、この8号機のみ、当時開発されたばかりのLE-5Bが装備されていた。

ロケットの第1段エンジン「LE-7」は、約6分間燃焼するはずだったが、約4分後に問題が起きて停止してしまい、予定していた飛行経路を逸れはじめた。そんな中、第2段機体が予定よりも早く、しかも不安定に回転した状態で第1段機体から切り離され、その状態でLE-5Bが始動されることになったのである。

通常、極低温の推進剤を使用するロケット・エンジンを始動させる際には、ポンプの吸い込み不良を防ぎ、安定して始動させるために、あらかじめ推進剤でポンプを十分に冷却し、推進剤を所定の圧力まで加圧して供給する必要がある。しかし、こうした背景から、8号機のLE-5Bは冷却やタンク圧力が十分でない状態で始動することとなった。

しかし、このような悪条件の中でもLE-5Bは正常に立ち上がり、計画通りの性能を発揮し続けることができた。H-IIの8号機は最終的に、飛行を継続すると地上に落下する危険などがあったことから、地上からの指令で破壊された。だが、この一件によって、LE-5Bエンジンと、そしてエキスパンダー・ブリード・サイクルという仕組みそのものが、故障や想定外の状況に強い頑丈さと、高い信頼性を持っているということが実証されたのである。

頑丈ということは、たとえば少々不調であっても、H-IIの8号機のときのように飛行を継続できる可能性ができ、あるいはエンジンが壊れるようなことになったとしても、爆発はせず、ゆるやかに停止するようにできる。もしそのとき、ロケットの先端に宇宙飛行士が乗った宇宙船が搭載されていたとしたら、脱出するまでを時間を少しでも多く稼ぐことができるだろう。

また構造が簡素ということは、造りやすく、さらに部品の数が少ないこともあって低コスト化や信頼性の向上にもつながることが期待できる。

鍵は大型化

ひとつ懸念があるとすれば、それはLE-9が大型のエンジンであるという点だろう。前述のように、エキスパンダー・ブリード・サイクルのエンジンはH-IIのLE-5AやH-IIA、H-IIBのLE-5B、LE-5B-2で採用されており、20年以上の運用実績があることになる。

しかし、ロケットの第1段向けエンジンと第2段向けエンジンとでは求められる性能が大きく違う。たとえばエンジンのパワー(推力)は、LE-5B-2の14トンに対して、LE-9では150トンと10倍以上にも増え、エンジンの各部分にかかる熱や圧力なども大きくなるため、LE-5BがあるからLE-9は簡単に造れる、ということではない。

JAXAや三菱重工はすでに、LE-9とほぼ同じ性能の技術実証エンジン「LE-X」の開発を終えており、その成果はLE-9の開発に活かされることになっている。だが、実際にロケットに組み込んで飛ばせるエンジンにするためには、まだ多くの関門が待ち受けており、LE-9の開発がどうなるかが、H3が成功するかどうかの鍵となることは間違いない。

二段燃焼サイクルの技術はどうなるのか

ところで、そもそもH-IIで二段燃焼サイクルのLE-7が開発された背景には、そうしなければH-IIが実現できなかったという事情があった。もちろん性能が若干劣るエンジンを造り、それを束ねて使用するという考えもなかったわけではないが、そもそも当時の日本には国産の第1段エンジン自体が存在しなかったため、どちらにせよエンジンを新しく開発する必要があった。

つまり「高性能なエンジンを造り、1基だけ使う」ことと「少し性能が劣るエンジンを造り、それを複数束ねて使う」ということが天秤にかけられた。しかし、当時の日本には、エンジンを束ねて運用する技術もまた存在しなかったため、まだ前者のほうが技術開発がシンプルで、ハードルが低いと判断されたのである。

また、二段燃焼サイクルはスペース・シャトルのエンジンにも採用されている技術であったため、近い将来、日本がスペース・シャトルのようなロケットを造る際にも役立つだろうと期待されていた。

しかし、二段燃焼サイクルは高コストであったことや、またH-IIBの開発でエンジンを束ねる技術が得られたことなどから、H3ではその技術を使わないことになった。これは日本の宇宙開発にとって、非常に大きな決断だ。

LE-7A、特に二段燃焼サイクルの使用を止めることで、その技術はどうなってしまうのだろうか。

岡田プロマネは会見で「二段燃焼サイクルについては、いったん使用を止めることになります。きちんとした技術の体系としては残した上で、エキスパンダー・ブリード・サイクルに切り替える、という考えです」と述べた。

しかし、技術というものは、造り続けなければ継承はされない。たとえ設計図や実機を完全に保存したとしても、何十年か経ったあとですぐに復活させられるかといえば、非常に難しいだろう。

H3が二段燃焼サイクルのエンジンを採用しない理由は、H3に求められるコンセプトに合わないから、という理由が一番大きい。だが、二段燃焼サイクルは本質的に高性能で、致命的な欠陥があるわけでもなく、さらにまだ発展の余地もある。その技術の系譜をむざむざと絶やすことは、日本のロケット技術の将来にとって、大きな損失にはならないだろうか。

たとえば二段燃焼サイクルは、水素以外の、ケロシンやメタンなどの燃料を使っても実現でき、高い性能が得られる。実際に、ロシアや米国、中国などは、こうした燃料を使った二段燃焼サイクルのエンジンを開発している。

また、二段燃焼サイクルには、「フル・フロウ二段燃焼サイクル」という、LE-7Aなどが採用している二段燃焼サイクルよりも、もっと効率が良くなる技術がある。これまでにこのサイクルの開発に成功したのはソヴィエト連邦だけで、現在は米国でスペースX社が「ラプター」というエンジンを開発している段階にある。

日本の経済状況を考えると難しいだろうが、実際にロケットを造るところまではいかなくとも、LE-7Aの技術を活かし、こうしたエンジンの技術開発だけでも行うべきではないだろうか。

(続く)

参考

・http://fanfun.jaxa.jp/jaxatv/files/jaxatv_20150708_h3.pdf
・http://fanfun.jaxa.jp/jaxatv/detail/5003.html
・http://h2a.mhi.co.jp/service/manual/pdf/manual.pdf
・http://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/484/484040.pdf
・http://www.jaxa.jp/press/2013/09/20130904_rocket_j.pdf