LE-7

LE-7エンジン

LE-7エンジンは、日本の宇宙開発黎明期における重要な推進装置であり、宇宙開発事業団（NASDA、現在の宇宙航空研究開発機構 JAXA）が航空宇宙技術研究所（NAL）、三菱重工業、および石川島播磨重工業（現IHI）と共同で開発した、H-IIロケットの第1段を担う液体ロケットエンジンです。これは日本が独自に開発した初めての大型液体ロケットエンジンという画期的な存在でした。LE-7の成功と経験は、後にコスト削減と信頼性向上を図った後継機、LE-7Aエンジンの開発へと引き継がれます。

開発とその技術的挑戦

LE-7エンジンの推進力は、スペースシャトルメインエンジン（SSME）でも実績のある高効率な「二段燃焼サイクル」によって生み出されます。この方式では、まず予燃焼室（プリバーナー）に液体水素の大部分と液体酸素の一部を送り込み、部分的に燃焼させて水素リッチな高温高圧の不完全燃焼ガスを生成します。この強力なガスは、推進剤を主燃焼室へ圧送するための液体水素用および液体酸素用ターボポンプを駆動します。ターボポンプによって大幅に加圧された液体水素と液体酸素は、主燃焼室で合流し、予燃焼ガスと共に完全に燃焼することで、膨大な推力を発生させるのです。

しかし、この先進的なサイクルは同時に、開発チームに極めて高い技術的ハードルを突きつけました。高温・高圧の燃焼ガスがエンジン内部を流れるため、構造や材料には極めて厳しい要求が課せられ、開発過程では様々な予期せぬトラブルが発生し、計画はたびたび遅延を余儀なくされました。

開発初期に直面した課題の一つは、ターボポンプの過大な振動により所定の回転数が得られないことでした。これは、ターボポンプの心臓部である羽根車の重心が中心軸からわずかにずれていたことが原因であり、熟練の職人が手作業で羽根車を精密に研磨することで重心を調整し、この問題を克服しました。

燃焼試験が始まると、次に「5秒の壁」と呼ばれる現象が開発チームを悩ませました。これはエンジン始動直後に爆発や損傷が頻発する問題で、予燃焼室に液体酸素が先に流入し、後から来る液体水素と過剰に反応してしまうことが原因でした。圧力計を用いた精密な計測に基づき、両推進剤の供給タイミングを厳密に調整することで、この重大な問題も約2年の歳月をかけて解決されました。

さらに開発終盤の1992年、エンジン始動直後に再び大規模な爆発が発生し、エンジンの全損とH-IIロケット初号機の打ち上げ1年延期という事態に至りました。詳細な調査の結果、エンジンの各部品を溶接した際に生じた微細な凹凸が、高温高圧下で熱や力が集中する弱点となり、破損を招いたことが判明しました。この問題に対しては、職人の高度な技術によって溶接部を鏡面のように滑らかに研磨するという非常に手間のかかる方法が取られ、解決に至りました。なお、この溶接部の複雑な研磨工程は製造コストや信頼性に関わるため、後継のLE-7Aでは溶接箇所自体を大幅に削減する設計変更が行われています。

エンジンの開発および製造は、主要開発機関が役割分担して進められました。三菱重工業は燃焼器や各種バルブ、そしてエンジン全体の組み立てと配管（全体艤装）を担当しました。石川島播磨重工業は、高回転・高圧に耐える液体水素用および液体酸素用ターボポンプの開発と製造を担いました。

開発・運用履歴と事故

LE-7エンジンの開発は1983年に「開発研究」として始まり、1986年に本格的な「開発」段階へ移行しました。1988年には種子島宇宙センターに専用の燃焼試験設備が完成し、苛酷な試験が繰り返されました。1990年には連続200秒燃焼に成功するなど前進が見られましたが、先述の技術的困難により開発は難航しました。しかし、これらの課題を一つずつ克服し、1993年には連続350秒燃焼試験やロケット本体との結合状態でのステージ燃焼試験（CFT）に成功し、実用化への道が開かれました。そして1994年2月4日、LE-7エンジンを搭載したH-IIロケット試験機1号機は見事に打ち上げに成功し、LE-7エンジンは日本の宇宙輸送を支える主力エンジンとしての役割を果たしました。1994年3月には全ての性能試験を終え、開発は完了しました。

しかし、運用最終段階にあたる1999年11月15日、H-IIロケット8号機の打ち上げにおいて、上昇中にLE-7エンジンが異常停止し、ロケットは指令破壊されました。これは、LE-7エンジンの単独異常が打ち上げ失敗に直結した最初で最後の事例となりました。

H-II 8号機事故の原因

8号機の事故発生後、徹底的な原因究明が行われました。海底に沈んだエンジン残骸の回収・調査の結果、液体水素ターボポンプ内の「インデューサ」と呼ばれる部品が破断していたことが判明しました。破断面の精密な分析から、金属疲労による破壊が原因であると推定されました。さらに、インデューサ単体での試験を繰り返し行った結果、「旋回キャビテーション」という特殊な流体現象がインデューサに発生し、それが部品の固有振動と共振することで、インデューサに繰り返し大きな応力が加わり、疲労破壊に至ったことが事故の最終的な原因として特定されました。この事故から得られた貴重な知見は、後継機であるLE-7Aエンジンの設計・製造における信頼性向上策に大きく活かされることになりました。

主要諸元

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