宇宙航空研究開発機構(JAXA)と三菱重工業(MHI)は2月13日、MHIの田代試験場(秋田県大館市)にて、新型の大型エンジン「LE-9」3基による燃焼試験を実施、その様子をプレスに公開した。LE-9は、2020年度の初打ち上げを目指し、開発を進めているH3ロケットの第1段で使われるもの。試験は無事完了し、H3は完成に向け、大きく前進した形だ。

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    田代試験場で行われた燃焼試験の様子。轟音とともに白煙が上がった

BFT後半シリーズの最終回が実施

今回実施したのは、第1段の「厚肉タンクステージ燃焼試験」(BFT:Battleship Firing Test)と呼ばれるテストだ。LE-9エンジンの単体試験は種子島で実施されているが、それに対し、田代で行うBFTはシステムレベルの試験という位置付けになる。

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    H3ロケット実機とBFTの条件の違い。ほぼ「実機相当」で模擬している (C)MHI

BFTでは、エンジン本体に加え、実機相当の配管やバルブなどを使用。より実機に近い条件で燃焼させ、問題が無いか確認する。JAXAの岡田匡史プロジェクトマネージャは、「BFTは大規模な試験。夜中から作業を開始しており、ロケットの打ち上げ準備をしているような感覚だ」と述べる。

BFTは、合計8回実施する計画。前半シリーズの4回は、エンジン2基形態で実施しており、その後コンフィギュレーションを変更してから、3基形態の後半シリーズが2019年10月より始まっていた。前半シリーズについては、過去記事も参照して欲しい。

参考:H3ロケットのBFTが初公開 - LE-9エンジン×2基の轟音が秋田の山中に轟く!

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    前半シリーズの結果。毎回、条件を変えていることが分かる (C)MHI

H3ロケットの大きな特徴は、固体ロケットブースタ無しの形態(H3-30S)が用意されることだ。従来のH-IIA/Bロケットは、推力を補うために固体ロケットブースタが必須だったが、H3ロケットのLE-9エンジンは推力を1.4倍に強化、H3-30Sではこれを3基束ねて(クラスタ)使うことで、ブースタ無しでの打ち上げが可能になった。

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    H3ロケットのラインナップ。H3-30Sのみ、LE-9の3基形態となる (C)JAXA

後半シリーズの4回は、このH3-30S形態を想定した試験である。追加するエンジンの到着が遅れたため、1回目のみ2基で行ったものの、2回目からは3基形態で実施。3基形態の初回は、設備側の問題で予定より早く燃焼を停止したものの、その次の回は燃焼時間を順調に延ばし、良好なデータを得ることができたという。

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    後半シリーズの内容。4回目は、スロットルダウンも実施する (C)MHI

3基目のエンジンに最新型を投入

BFTで使われるのは、「実機型」と呼ばれるLE-9エンジンだ。これは慣例的に"実機型"と呼ばれているものの、フライトモデル(FM)というわけではなく、実際は開発中のエンジニアリングモデル(EM)に相当する。実機型の成果をフィードバックして製造する「認定型」エンジンの方が、フライトモデルであると言える。

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    BFTが行われている田代試験場。大館市街からは、車で1時間ほど

LE-9では、合計4基の実機型エンジンを製造した。BFTの前半シリーズでは、「#3」「#4」を使用。後半シリーズでは、それに加え、3基目のエンジンとして「#1」を組み直した最新モデル「#1-3」を投入した。この#1-3では、初めて3Dプリンタ製の噴射器(インジェクタ)が採用されたという。

ちなみに後半シリーズは当初、昨年6月~8月あたりに実施する予定だったのだが、それが大幅に遅れたのは、#1-3の到着を待っていたからだ。ただH3の打ち上げ時期を考えると、BFTの完了をこれ以上遅らせたくないため、初回を2基形態に変更し、仕様を変えた新しいコンポーネントの確認を先行して行ったというわけだ。

最終回となる今回のBFTは、約40秒の燃焼を予定。特に、スロットルダウン時のデータが欲しいとのことで、点火から13秒で推力を3分の2に落とす。さらにスロットルダウンやエンジン停止のタイミングを、1基だけ意図的にずらして、異常な挙動が起きないかどうかも確認する。

燃焼試験は、14時40分ころに実施。報道陣は、今回も約700m離れた見学席で取材していたのだが、筆者個人の感覚では、2基形態よりも大きな音だったように感じた。音や噴煙からは、スロットルダウンによる変化は良く分からなかったものの、ほぼ予定通りの38秒間の燃焼を終え、BFTは無事完了した。

ズーム映像。スタンドの隙間から、エンジンの炎が少し見える

ワイド映像。あいにくの曇り空で、噴煙の広がりが見えにくい

第1段の燃焼試験としては、種子島で行う「実機型タンクステージ燃焼試験」(CFT)がまだ残っているものの、BFTの完了は大きなマイルストーン。MHIの新津真行プロジェクトエンジニアは、「BFTは準備期間まで含めると2年近くかかっている。今日の試験を終えたことで、頂上が綺麗に見えた気がする」と笑顔を見せた。

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    JAXAの岡田プロマネ(左)とMHIの新津氏(右)は試験後、笑顔で握手

日本初、3基クラスタへの挑戦

日本はH-IIBロケットで2基クラスタの経験はあったものの、第1段の大型エンジンで3基クラスタというのはH3ロケットが初めて。未知の領域だったと言えるが、岡田プロマネは「案外スムーズにいった」と、安堵の表情を見せる。

しかもLE-9エンジンは、「エキスパンダーブリード」と呼ばれる日本独自のサイクルを第1段の大型エンジンに適用するという、世界初のチャレンジも行っていた。この方式は副燃焼室を持たず、「2段燃焼」サイクルのような高温・高圧の配管が無い。異常発生時にも爆発しにくい安全性の高い方式で、第2段の「LE-5B」で採用していた。

ただ、副燃焼室が無いため、燃焼室の冷却で暖められ、ガス化した燃料でタービンを回すしかなく、大推力化が難しいとされていた。これについて岡田プロマネは、「現状で、真空中推力は150トン、比推力は422秒が出ている。目指した実力は出せるエンジンだということは確認できた」と述べ、順調さをアピールした。

LE-9のタービン駆動方式については、こちらの動画が分かりやすい

なおLE-9については、今後、2種類のエンジンを認定していくことがすでに決まっている。以前の燃焼試験において、ターボポンプで共振の問題が発生したことから、まず初号機で搭載するタイプ1では、共振領域を避けて運転することとし、先行して認定。噴射器は従来の機械加工のものを使い、手堅く進める。

続くタイプ2で抜本的な対策を行い、共振領域自体を無くす設計とする。噴射器も3Dプリンタ製のものを採用し、これでLE-9の開発が完了となる。タイプ2は2号機での適用を目指しているとのこと。

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    タイプ2では、複雑な形状の3Dプリンタ製の噴射器を使用する (C)JAXA

H3ロケットの打ち上げまで、いよいよあと1年程度。固体ロケットブースタの燃焼試験や分離試験、地上施設の整備などが順調に進みつつあり、岡田プロマネは、「現在は最終段階として、システムを統合しているところ。急な坂道を上っている感覚を持っている」と、進捗について述べる。

近年、小型衛星による大規模なコンステレーションの存在感が増すなど、ロケットを取り巻く環境は変化している。岡田プロマネは、「H3ロケットのコンセプトを決めた当時から、世の中は大きく変わった。まずはH3を作った上での話になるが、多様化する国際打ち上げ市場に柔軟に対応できるロケットにしたい」と意気込んだ。

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    H3の開発スケジュール。やや押し気味だが、2020年度の打ち上げ予定 (C)JAXA

試験後のLE-9エンジンが公開!

燃焼試験の翌日には、BFTで使われたエンジンの公開が行われた。

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    BFTの後半シリーズで使われた3基の実機型LE-9エンジン

田代試験場のBFTスタンドは、9階建てで高さは約55m。H-IIBロケット等の試験でも使われた設備で、これを改修してH3でも利用している。ただ、ロケット実機と配管の長さを同じにするため、液体酸素タンクは嵩上げして9階部分に配置。天井一杯まで使っており、高さ的には、なんとかギリギリ収まったような感じだ。

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    BFTスタンド。9階に液体酸素、5~7階に液体水素のタンクがある

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    フロアを貫通しているオレンジ色のパイプが液体酸素の配管だ

エンジンが設置されているのは4~5階部分で、4階では、ノズルスカートを見ることができる。3基のエンジンは、正三角形の位置に配置。当然ながら、実際のロケットの配置に合わせている。

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    上が5階部分で下が4階部分。上にはエンジン部の構造体が見える

前述のように、BFTの後半シリーズでは、タイプの異なる2種類のエンジンが使われている。どれが新型の#1-3なのか気になるところだが、チェックポイントはノズルスカートのリブ(補強のために使われるリング状の構造)。#1-3はコストダウンのため、従来の#3と#4より本数が少なくなっているので、区別は容易だ。

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    右が新型の#1-3。左や奥のエンジンと比べると、リブが少ない

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    ちなみにギリギリまで狙っても、さすがに内部の噴射器は見えない

そのほかの違いは分かりにくいのだが、#1-3はより実機に近くなっており、電動バルブのアンプやコントローラなども搭載されているとのこと。ちなみに従来の「LE-7A」エンジンでは、バルブはヘリウムガスで駆動していた。ジンバルのアクチュエータやバルブが電動化された点もLE-9の大きな特徴の1つである。

ところで、700m離れた場所からの映像だと迫力がイマイチ伝わらないかもしれないので、最後にJAXA提供の公式動画をご覧いただこう。これはノズルスカートの真横に設置したカメラで撮影したもの。LE-9エンジンの3基クラスタ、合計推力450トン(!)の大迫力を味わえるだろう。

迫力の近接映像。これは前回の試験だが、起動のタイミングを意図的にずらしたという (C)JAXA

こちらが今回の試験。スロットルダウンと停止のタイミングのズレも確認できる (C)JAXA

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