宇宙航空研究開発機構(JAXA)と三菱重工業(MHI)は4月12日、開発中の大型ロケット「H3」の第1段厚肉タンクステージ燃焼試験を実施、その様子をプレスに公開した。H3ロケットのBFTは4回目となるが、公開したのはこれが初めて。「LE-9」エンジン2基による前半試験は無事完了し、今後はエンジン3基による後半試験を行う予定だ。

  • H3ロケット

    H3ロケット第1段厚肉タンクステージ燃焼試験の様子

燃焼試験が行われているのは、MHIの田代試験場(秋田県大館市)。青森県との県境に近い山中にあり、N-Iロケットの時代からこれまで40年以上、各種燃焼試験に利用されてきた日本の宇宙開発の拠点の1つだ。この試験場については、2016年に掲載したレポート記事があるので、詳しくはそちらも参照して欲しい。

  • MHIの田代試験場

    MHIの田代試験場。4月も半ばなのに、まだ雪に覆われていた

  • 田代試験場

    そして道中は相変わらずの悪路。いつもながらハードな取材である

BFTというのはどんな試験?

今回実施したのは、H3ロケット第1段の厚肉タンクステージ燃焼試験(BFT:Battleship Firing Test)と呼ばれる試験だ。すでに、LE-9エンジンの燃焼試験はJAXA種子島宇宙センターで行われてきたが、これはエンジン単体の試験。一方BFTは、実機相当の配管なども組み合わせて、推進系というシステムとしての機能や性能を確認するのが目的だ。

  • H3とBFTの比較

    実機(左)とBFT(右)の比較。タンクは実機と違い、容量も小さい (C)MHI

エンジンは実機と同じように、2基または3基を使用。そのほか、推力方向を制御するジンバル、燃料(液体水素)・酸化剤(液体酸素)を供給する配管やバルブも実機相当のものを搭載し、エンジン単体試験よりも、実際のフライト状態に近い構成で試験を行う。

実機と大きく違うのは、燃料と酸化剤のタンクだ。本当に飛ぶわけではないため、軽量化する必要は無く、ステンレス製の厚肉タンクが使われている(だから厚肉タンクステージ燃焼試験と呼ぶわけだ)。どのくらい厚いかというと1cm程度とのことで、この頑丈さが"BFT"という名前の"Battleship"(戦艦)の由来となっている。

H3ロケットは、2020年度の初飛行が予定されており、開発はいよいよ大詰め。JAXAの岡田匡史プロジェクトマネージャは、現状について「山の頂が見え始めている」とした上で、「これまで個別に開発してきたものを、システムとしてまとめ上げる段階になった。試験規模は大きくなり、難易度も上がっていく」と述べ、気を引き締めた。

  • 岡田匡史

    JAXAの岡田匡史プロジェクトマネージャ

BFTの実施に先立ち、前日には、田代試験場の設備の公開も行われた。BFT用の燃焼試験スタンドは9階建てで、高さは50m程度。LE-9エンジンは、4階部分にノズルスカートが出ており、その上の5階部分に上部燃焼室やターボポンプなどがある。その上の階には、さらに燃料タンク、酸化剤タンクと続く。

  • BFTを実施する燃焼試験スタンド

    BFTを実施する燃焼試験スタンド。エンジンは外からほとんど見えない

  • 燃焼スタンド

    4階部分。2基のLE-9エンジンで燃焼試験を行うのはBFTが初めてだ

  • 燃焼スタンド

    4階と5階の間。上に見えるエンジン部構造体も実機相当となる

  • 燃焼スタンド

    5階。あちこちにケーブルがあり、引っかからないようにとの注意があった

  • LE-9エンジン

    LE-9エンジンの上側。ターボポンプやメインバルブが搭載されている

  • ジンバル

    これはジンバルのアクチュエータ。H3では油圧から電動に変わっている

この燃焼試験スタンドがBFTに使われるのは、H-IIBロケットの開発時以来。しかしH-IIBが「LE-7A」エンジン×2基であったのに対し、H3ロケットはLE-9エンジン×2基/3基となり、最大でおよそ2倍もの推力が発生する。その増大した熱や衝撃を吸収するため、煙道への散水の量を増やすなどの改修を施したそうだ。

  • 煙道

    スタンドの右側面に回り込むと煙道が見える。ここに噴煙が流れ込む

  • 耐火コンクリート

    耐火コンクリートは改修時に新しく交換されたが、すでに燃焼ガスの跡が

  • 散水用の配管

    上の方には散水用の配管が見える。これで噴煙の熱や衝撃を和らげる

  • 散水用タンク

    左の散水用タンクが、H3用に追加された設備。これはガス押しとのこと

BFTでは何を確認しているのか?

H3ロケット第1段のBFTは、全8回実施する計画。H3ロケットの3種類の形態では、LE-9エンジンが2基の場合と3基の場合があるため、まずは2019年1月より、前半シリーズとして2基による燃焼試験を行い、その後3基に増やしてから、同年6月~8月に後半シリーズを実施する予定となっている。

  • BFTの予定

    BFTの予定。今後、形態を2基から3基に変更して、後半シリーズを行う (C)MHI

今回公開されたのは、前半シリーズの最後となる4回目の試験。この4回はすべて違う条件で行っていて、それぞれで確認していることも異なる。1回目は20秒という短い時間で、始動時の特性を見る。2回目は燃焼時間を38秒に延ばし、推力のスロットリングを実施。3回目はジンバルも動かす、という具合だ。

今回の4回目は前半シリーズの最後ということで、仕上げ的な意味を持つ。推力のスロットリングとジンバルの制御に加え、タンク圧が減少していく点まで模擬していて、今までの中で最もフライト条件に近い試験であると言える。

  • 前半シリーズの4回

    前半シリーズの4回。試験の条件は、このようにそれぞれで異なっている (C)MHI

BFTの状況について、MHI側のプロジェクトマネージャである奈良登喜雄氏は、「1回目はいろんなことが初めてだったので苦労したが、なんとかうまくできた。そのあとはほぼ予定通りで、確認すべき事項は確認できたと考えている」とコメント。順調に進んでいることをアピールした。

  • 奈良登喜雄

    MHIの奈良登喜雄プロジェクトマネージャ

そして4回目の試験は、4月12日の14時に実施。燃焼時間は44秒間とほぼ計画通りで、試験を無事完了することができたとのこと。今回使われたエンジンは実機型(EM)の「#3」と「#4」だったが、今後、種子島から「#1-2」を運び込み、3基による後半シリーズに移行することとなる。

BFTのズーム動画。隙間から燃焼ガスが見える

BFTのワイド動画。噴煙が空高くまで登っていく

今回のBFTでは、推力は開始から20秒間はフルパワーで、そこから3分の2に落としているそうだが、筆者が撮影した上記の動画からは、その前後で違いはほとんど感じられない。ちなみにH3ロケットの第1段がフライト中に推力を下げるのは、機体が軽くなってくると、そのままの推力では加速が大きくなりすぎるからだ。

なおBFT取材では、安全のため見学場所はスタンドから700mほど離れており、エンジンを直接見ることはできないのだが、2回目と3回目のBFTを無人カメラで撮影した映像がJAXAとMHIから提供されているので、そちらも見るとよいだろう。至近距離からの映像なので、より大きな迫力が楽しめるはずだ。

100mほど離れた場所からの映像 (C)JAXA

1こちらはなんとスタンド内の映像だ (C)MHI

H3ロケットの開発状況は?

最後に、H3ロケットの最新状況をまとめておこう。

  • H3ロケットの概要

    H3ロケットの概要。30S、22L、24Lという3つの形態が用意される (C)JAXA

まず固体ロケットブースタ「SRB-3」は、2018年8月に、実機型モーターによる燃焼試験を実施しており、2019年度は、その試験結果を反映させた認定型モーターで2回の燃焼試験を行う予定。近日中に、櫓にSRB-3を付けて分離させる試験も実施する予定で、いま準備を進めているところだという。

  • SRB-3

    SRB-3は種子島で燃焼試験を実施中。分離試験用のタワーも完成 (C)JAXA

第2段エンジン「LE-5B-3」は、認定型エンジンによる燃焼試験が完了。現在、データをレビュー中とのことで、問題がなければ、いち早く完成となる模様だ。今後、第1段BFTの後半シリーズが終了してから、同じスタンドで実機相当のタンクを組み合わせた実機型タンクステージ燃焼試験(CFT:Captive Firing Test)を実施する予定。

  • LE-5B-3

    LE-5B-3は開発が先行。2019年度後半にCFTを実施する予定だ (C)JAXA

そしてLE-9は、引き続き種子島で実機型エンジンによる燃焼試験を実施中で、これが完了すると、次は認定型エンジンによる燃焼試験に移行することになる。現状、比推力がやや低いとのことだが、開発は概ね順調。今後、種子島の射点でCFTを実施してから、初号機の打ち上げに臨むことになる。

  • LE-9の開発状況

    LE-9の開発状況。現在、実機型#1-2による燃焼試験が実施中だ (C)JAXA

なお初打ち上げがいよいよ来年度ということで、具体的にいつくらいになるのか、そろそろ気になってくるところ。今回公開されたスケジュール表では、矢印がちょうど2020年末あたりに見えるが、何月になるかは現時点で未定とのこと。ただ、「前半後半でいえば後半。オリンピックよりは後になる」(岡田プロマネ)そうだ。

  • スケジュール表

    前掲のスケジュール表。初号機の打ち上げ日は2020年末?

しかし未定とは言え、初号機の機体の出荷が2020年度の第2四半期で、種子島でのCFTが同第2四半期~第3四半期の予定と、スケジュールは押し気味。「2020年度に打ち上げるという約束を守るためには、余裕のある範囲内で設定したい。3月31日というわけにもいかない」(同)ため、2020年12月~2021年2月あたりが現実的なラインではないだろうか。

  • 田代試験場
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