LE-5B

LE-5B

LE-5Bは、日本の宇宙開発において中心的な役割を果たす液体燃料ロケットエンジンであり、H-IIA、H-IIB、そして次世代のH3ロケットの第2段に搭載されています。

このエンジンは、日本の大型ロケット開発の礎となったH-Iロケットの第2段エンジンLE-5、そしてH-IIロケットの第2段エンジンLE-5Aの技術を継承し、改良を加えて誕生しました。開発の主眼は、先代のLE-5Aと比較して、一層の信頼性向上と製造コストの削減に置かれました。推進剤としては極低温の液体酸素（LOX）と液体水素（LH2）を使用し、真空中での推力は137.2kN（約14トン）を発揮します。

開発と特徴

LE-5Bは、H-IIAロケットの実用化を目指し、1995年から2000年にかけて開発が進められました。開発の優先順位としてコストと信頼性が重視されたため、エンジンの性能指標である比推力は447秒と、LE-5（450秒）やLE-5A（452秒）よりわずかに低い値となっています。しかし、LE-5Bは現代の宇宙輸送システムに不可欠な機能を多数備えています。代表的なものとして、宇宙空間で複数回エンジンを再点火できる「再々着火能力」、推力を大幅に抑えて微調整を行う「微小推力機能」（アイドルモード燃焼）、そして打ち上げシーケンスに応じて推力を加減する「スロットリング（推力調整）機能」があります。

開発主体は宇宙開発事業団（NASDA、現在のJAXA）であり、主要コンポーネントの製造は国内企業が担いました。燃焼器本体や機体への取り付け部分などは三菱重工業、エンジン性能に大きく関わるターボポンプはIHI（当時の石川島播磨重工業）が製造を担当しています。

LE-5Bが初めて実機に搭載されたのは、H-IIロケット8号機の第2段でした。この打ち上げでは、残念ながら第1段にトラブルが発生し、予定よりも早く、かつ不十分な条件で第2段エンジンが起動されましたが、LE-5Bは正常に機能し、その基盤となるエキスパンダブリードサイクルの高い信頼性を実証しました。ロケットは軌道に乗らなかったため指令破壊されましたが、その後、H-IIAロケットの初号機で初めて、計画された通りの手順で最後まで燃焼を成功させました。

エンジンサイクルと構造

LE-5Bは、LE-5Aと同様に「エキスパンダブリードサイクル」を採用しています。この方式では、燃料である液体水素の一部を燃焼室の壁面などを流すことで加熱・気化させ、この高温・高圧の水素ガスを用いてターボポンプを駆動させます。駆動に利用された水素ガスは、最終的にノズルから排出されることで推力の一部となります。

LE-5AとLE-5Bの大きな違いは、水素ガスによる冷却の範囲です。LE-5Aが燃焼室とノズルスカートの両方を冷却していたのに対し、LE-5Bは燃焼室のみで吸熱を行います。このため、それぞれ「ノズルエキスパンダブリードサイクル」「チャンバエキスパンダブリードサイクル」と呼ばれることがあります。LE-5Bがノズルスカートの冷却を行わない設計になったことで、ノズルスカートを取り外した状態でも大気圧下での燃焼試験が可能となり、試験設備やコスト面でのメリットが生まれました。

燃焼室構造も改良されました。LE-5Aで採用されていた、純ニッケル製チューブをろう付けした構造は、H-IIロケット5号機で発生した事故（チューブ間のろう付け部破損）を踏まえ、見直されています。LE-5Bでは、無酸素銅の内筒に溝を掘り、そこに液体水素を流して冷却し、外側を銅電鋳層で覆う「銅電鋳溝構造」が採用されました。燃焼室だけで必要な吸熱量を得るため、LE-5Bの燃焼室はLE-5Aより長くなっています。

推進剤を燃焼室へ噴射する噴射器も、製造コスト削減のためにLE-5Aから簡略化され、同軸型のエレメント数が減少しました（ただし、改良型のLE-5B-2では再び増加）。

再々着火能力とその実用化

LE-5Bの「再々着火能力」は、静止衛星などを静止トランスファ軌道へ投入するミッションにおいて、非常に重要な機能です。この能力を活用することで、ロケットが複数回に分けてエンジンを燃焼させることが可能になり、衛星自身の軌道変更に必要な燃料を大幅に削減できます。結果として、衛星をより軽量化したり、あるいは同じ質量で衛星の運用寿命を延ばしたりすることが可能となり、国際的な衛星打ち上げ市場における競争力向上に貢献します。

この再々着火能力の実用化には時間がかかりました。エンジンの性能だけでなく、機体側の電源供給や制御システムなど、様々な制約があったためです。これらの課題を克服するため、2011年度から始まった「基幹ロケット高度化」プロジェクトにおいて、主に第2段機体の改良開発が進められました。そして、2015年11月24日に打ち上げられたH-IIAロケット29号機で、改良された第2段機体とLE-5Bによる「静止衛星打ち上げ対応能力の向上」が初めて実証され、再々着火運用が成功しました。

宇宙空間での再々着火試験は、当初H-IIロケット8号機で行われる予定でしたが、指令破壊により中止となりました。その後、2002年2月のH-IIA試験機2号機において、衛星分離から約1時間40分後に実施され、宇宙での再々着火が初めて成功しました。

LE-5Bの派生型

LE-5B-2

H-IIAロケットの初期の打ち上げにおいて、第2段燃焼時に機軸方向の振動が観測されることがありました。この振動は衛星の許容範囲内でしたが、さらなる安定化を目指し、2003年3月から振動の主要因の一つである燃焼圧力変動を低減するためのLE-5B-2エンジンが開発されました。液体酸素と液体水素を混合させるミキサーや、燃焼器への推進剤を噴射する噴射器の設計が変更されました。これらの改良により、ペイロードにかかる振動や燃焼圧力の変動を従来の約半分に抑制することに成功しました。LE-5B-2は、H-IIAロケット14号機以降、そしてH-IIBロケットでも使用されています。

LE-5B-3

新型ロケットH3の第2段エンジンとして開発されたのがLE-5B-3です。このエンジンはLE-5B-2を基に、燃費効率の向上と、より長時間の作動に耐えうる長寿命化が図られています。主な改良点は、ミキサーと液体水素ターボポンプのタービンです。ミキサーの改良により比推力が448.0秒に向上し、タービンの改良によりH-IIAでの作動時間（約534秒）を大幅に超えるH3での作動時間（約740秒）に対応可能となりました。

LE-5B-3の地上燃焼試験は2019年2月に完了しました。しかし、2023年3月7日のH3ロケット初号機の打ち上げでは、第2段エンジンが主点火に至らない事象が発生し、指令破壊となりました。後の調査で、この原因はLE-5B-3の電力系統において過電流が検知され、安全のために自動的に電源供給が停止されたことにあると特定されています。

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