LE-5A

LE-5A

LE-5Aは、日本の基幹ロケットであるH-IIロケットの第2段用として開発された液体燃料ロケットエンジンです。宇宙開発事業団（NASDA、現在のJAXA）が中心となり、航空宇宙技術研究所（NAL）、三菱重工業（MHI）、石川島播磨重工業（IHI）といった国内の主要航空宇宙関連企業が協力し、1986年から1991年にかけて開発が進められました。H-IIロケットの運用期間中、8号機を除く全ての打ち上げにおいて、このエンジンが第2段の推進力として使用されました。

エンジン製造における各社の役割分担としては、主要な組み立てや燃焼器の製造は三菱重工業が担当し、エンジンの性能を左右するターボポンプの製造は石川島播磨重工業が手掛けました。

構造と特長

LE-5Aエンジンは、極低温の液体水素を燃料、液体酸素を酸化剤とする高エネルギー推進系を採用しています。このエンジンの最も画期的な点は、燃焼サイクルにエキスパンダブリードサイクルを世界で初めて実用化したことです。これは、先行するLE-5エンジンの始動時に使われたクーラントブリードサイクルと、アメリカなどで実績のあったエキスパンダーサイクルを組み合わせ、発展させたものです。

エキスパンダブリードサイクルでは、まず極低温の推進剤（液体水素）がエンジンの燃焼室やノズルスカートの壁面を流れる際に、燃焼熱を吸収してガス化します。この高圧・高温になった水素ガスがタービンを回して燃料ポンプと酸化剤ポンプ（ターボポンプ）を駆動させます。駆動に用いられたガスは、その後燃焼室に全量供給されるのではなく、一部をノズルから外部に放出（ブリード）することで推力の一部とします（残りは燃焼室に供給されます）。この方式により、ガスジェネレータが不要となり、エンジン構造が大幅に簡素化されました。部品点数の削減は、製造コストの低減に繋がり、さらに高い信頼性の実現にも貢献しています。

燃焼器の構造は、LE-5と同様に純ニッケル製の細いパイプを多数束ね、それをろう付けによって固定した管構造となっています。燃焼によって生じる非常に高い圧力に対しては、燃焼器の外側に設けられた外筒が構造的な強度を確保しています。

運用における不具合

LE-5Aは高い信頼性を目指して開発されましたが、H-IIロケット5号機の打ち上げにおいて、第2段エンジンの早期停止という重大な不具合が発生しました。この打ち上げでは、軌道に乗るための第2段の2回目の燃焼が開始された後、わずか47秒でエンジンが停止してしまいました。

飛行データの綿密な分析の結果、2回目の燃焼開始から41秒後に燃焼ガスが外部に漏洩し始め、42秒後には機体を横方向に押しやるほどの力（約40kgf相当）を伴う漏洩に拡大していたことが明らかになりました。この大量の漏洩ガスが、エンジンの制御を行う電子ボックスに流れ込み、内部の電源配線を焼損・断線させたことが、エンジンの強制停止を引き起こした直接的な原因と推定されました。

漏洩箇所の特定作業により、燃焼器下部の比較的圧力が低い領域に設けられた軽量化のための穴付近の構造からガスが漏れた可能性が高いと判断されました。さらに、この不具合の根本的な原因は、複数の要因が複合的に絡み合っていたことにあると結論付けられました。具体的には、1. 燃焼器の管構造のろう付けが内側からしか行われていなかったこと、2. 外筒冷却管間のろう付け範囲が不十分であったこと、そして3. エンジン製造後の最終確認である領収燃焼試験時に、ガス漏れ検査用の治具を外さずに低圧燃焼試験を行ってしまった人為的なミス、の三点が挙げられました。また、後期の製造ロットになるほど、ろう付けの量が減少する傾向にあったことも指摘されています。

これらの深刻な問題を解決し、以降の打ち上げの信頼性を確保するため、再発防止策が徹底的に講じられました。最も重要な対策として、燃焼器の構造を、ろう付けに依存する管構造から、より堅牢で信頼性の高い溝構造へと変更することが提案・実施されました。加えて、ろう付け工程の品質管理体制の強化、検査手法の改善、そして人為的なミスを防ぐためのチェックリストの見直しや識別タグの導入などが進められました。これらの改良は、後継エンジンであるLE-5Bに引き継がれ、以降のH-IIロケットおよびH-IIAロケットの第2段にはLE-5Bが搭載されることになりました。

輸出検討の経緯

H-Iロケットの成功に続き、H-IIロケットの開発が進められていた1986年、アメリカの航空宇宙企業マクドネル・ダグラス（MD）社から、当時開発中だった日本のエンジン（LE-5またはLE-5A）を、同社が開発する次期型デルタロケットの第2段用として購入したいという打診がありました。この時の交渉は成立しませんでしたが、1989年末から1990年代初頭にかけて、この話が再び持ち上がります。MD社は、LE-5Aエンジンを含むH-IIロケットの第2段全体を、開発中のデルタIIIロケットの第2段として利用するため、約40機という大量の購入を検討していると具体的に打診してきました。

しかし、この大規模な輸出計画に対して、日本政府内で憲法解釈上の懸念が示されました。内閣法制局は、MD社が開発するデルタIIIロケットが、偵察衛星やGPS衛星といった軍事目的にも使用されうる衛星の打ち上げに用いられる可能性があることから、日本政府が長らく堅持してきた「宇宙の平和利用」の原則に反するとの見解を示しました。これに対し、日本の宇宙関連産業界は、技術立国としての地位向上や国際協力の観点から、この輸出を実現させようと様々な角度から調整や説得を試みました。しかし、MD社が設定した最終的な回答期限までに、政府内の意見調整や最終的な判断が間に合わず、交渉は時間切れとなり、残念ながらLE-5Aがアメリカへ輸出されることは実現しませんでした。

結果として、1995年にLE-5Aの調達を断念したMD社は、デルタIIIロケットの第2段エンジンとして、エキスパンダーサイクルを採用したアメリカ製エンジンであるRL-10を選択することになりました。一方で、MD社はデルタIIIロケットの燃料タンクの一部をMHIから輸入する契約を結び、同時にMHIもH-IIAロケットの第2段で使用する液体水素タンクドームや液体酸素タンクをMD社から輸入するなど、エンジン本体ではないものの、関連部品における国際的な協力関係は構築されました。

関連項目

LE-5
LE-5B
LE-7
LE-7A
LE-8
LE-9

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