LE-8

LE-8エンジン

LE-8は、宇宙航空研究開発機構（JAXA）と石川島播磨重工業（現・IHI）が共同で設計・開発した、推力10トン級の液体ロケットエンジンです。計画されていたGXロケットの第2段エンジンとして位置づけられ、推進剤に液体酸素（LOX）を酸化剤として、燃料には液化天然ガス（LNG）を用いるという、当時としては革新的な推進システムを採用しました。

このエンジンの開発は、宇宙機におけるLNG推進系の実用化を目指す重要な試みでした。しかし、残念ながらGXロケット計画が中止されたことにより、LE-8エンジンが実際に宇宙へ打ち上げられる機会は失われ、実用化には至りませんでした。それでも、搭載するロケットが未確定となった後も、その技術開発は継続されました。

推進系の特徴

LNG、特にその主成分である液体メタンをロケットエンジンの燃料として使用することには、多くの利点があります。液体酸素と液体メタンの組み合わせは、一般的な液体酸素/ケロシン推進系と比較して、比推力が約10秒向上するという性能的なメリットがあります。また、液体酸素の沸点（91K）と液体メタンの沸点（110K）が比較的近いため、推進剤タンク間の厳重な断熱構造が不要となり、システム全体の簡素化に貢献します。

さらに、既存の主要な推進剤である液体水素と比較した場合、液体メタンは密度が大きいため、同じ質量の燃料を搭載するのに必要なタンク容積を小さく抑えることが可能です。これは、ロケットのタンク構造を小型化し、軽量化に繋がる重要な要素です。液体水素よりも沸点が高いことから、貯蔵中の蒸発（ボイルオフ）を抑制しやすく、断熱も容易になります。

エンジン構造の面でも利点があります。燃料を供給するターボポンプにおいて、液体酸素ポンプと液体メタンポンプ間の断熱が不要となるため、両者を同軸上に配置することが可能になり、ターボポンプ全体の小型化を実現できます。

液体メタンは、液体水素に比べて入手が容易かつ安価であり、取り扱いに関しても安全性が高いという特徴があります。充填時の気化量が少なく、爆発などの危険性も低いため、地上作業が簡便化されます。また、蒸発しにくいため、宇宙空間での長期保存にも適しており、軌道間輸送機や深宇宙探査機での利用に有望視されています。将来的には、火星大気の二酸化炭素と水素からサバティエ反応を用いてメタンを生成する、いわゆる「現地資源利用」の燃料としても期待されています。

LE-8では、高価な精製液体メタンではなく、よりコストの低いLNG（アラスカ産）を燃料として採用しました。天然ガスをロケット燃料として使用する試みは、過去に他国でも行われており、1970年には速度記録樹立車「ブルー・フレーム」が天然ガス推進で世界記録を樹立するなど、一部では既に実績がありました。現在では、ブルーオリジンのBE-4やスペースXのラプターといったメタンを推進剤とする新型ロケットエンジンの開発が世界中で進められており、LNG/メタン推進系は21世紀の液体ロケットエンジンの新たな潮流となりつつあります。

LE-8自体は実用化には至らなかったものの、液体水素推進系における初期エンジンのES-702が果たした役割と同様に、今後の高推力LNG推進系開発に不可欠な多くの貴重な知見をもたらしました。JAXAはGXロケット計画の中止後も、この先進的な推進系の研究開発を継続しています。

開発概要

LE-8エンジンの開発は、GXロケットの開発プロジェクト開始とほぼ同時期に始まりました。ロケット打ち上げ機用途でLNG推進系を実用化しようとする試みは、当時世界でも例のないものでした。通常、ロケット本体の開発よりもエンジン開発の方が長期を要するため先行して進められますが、LE-8は機体と並行開発というスケジュールでした。新たな推進剤を用いるエンジン開発においては、燃焼室や推進剤噴射装置など、推進剤特性に応じた要素技術の開発が不可欠ですが、2000年代初頭における国内のLNG推進系に関する知見は、以前のLE-7エンジン開発時に基礎的な燃焼試験を行った程度で、極めて限定的でした。この知見不足が、後の開発に影響を及ぼすことになります。

当初、LE-8のエンジンサイクルは、機構が単純で開発コストが抑えられ、高い信頼性が期待できる圧送式サイクルが検討されていました。しかし、より高性能化を目指して、ガス発生器サイクルへの切り替えが決定されました。推力室には、アブレーション冷却方式が採用され、燃料噴射器としては、LE-5Bなどに用いられた同軸型ではなく、衝突型の噴射器が選ばれました。初期の圧送式サイクルを想定していた設計では、他のサイクルに比べて燃焼圧力が低くなるため、相対的に比推力が低下する分を、軽量な複合材製の燃料タンクの採用や、エンジン構成要素（ガス発生器やターボポンプの一部）の省略によって、第2段全体の質量を軽減することで補う計画でした。なお、LE-8エンジンには、再着火機能や出力調整機能は搭載されていませんでした。

開発過程では、燃焼圧力の不安定な変動など、技術的な問題にも直面し、一時期は開発の完了が危ぶまれた時期もありました。しかし、関係者の献身的な努力の結果、2009年7月に実施された実機型エンジンの燃焼試験では、実際の飛行時間を想定した長時間試験も無事終了し、エンジン開発としては一応の目処が立ちました。

GXロケットの第2段エンジン開発においては、LE-8（ブーストポンプ・アブレータ冷却式）と並行して、より高性能を目指したターボポンプ・再生冷却式のエンジン開発も行われていました。これは当初からの計画の一部でしたが、前述の技術的な課題によりロケットの打ち上げ能力が計画値から低下したため、高性能な新エンジンで能力向上を図る側面もありました。当初構想では、アブレータ冷却式のエンジンで数回運用した後、再生冷却式に切り替える予定でしたが、後に計画が変更され、初号機から再生冷却型のエンジンを使用する方針となりました。これにより、LE-8は再生冷却型エンジンの開発が不調に終わった場合のバックアップという位置づけに変更されました。

経験のない新しい種類の燃料を用いたロケットエンジンの開発は、一般的に10年程度の長い期間を要するとされています。事実上、先行機のなかったLE-8は、一部で開発の遅れが指摘される見方もありましたが、他に見ない短期間で主要な技術開発が進められたと言えます。しかし、バックアップという位置づけや、GXロケット計画そのものが中止されたことから、実際にロケットに搭載される燃料タンクを用いた総合的な試験などは行われることはありませんでした。

関連する動向

LE-8エンジンの開発が終了した後も、LNG/メタン推進系の研究開発は継続されました。開発を担ったIHIエアロスペースは、2011年時点でも独自に、ガス発生器サイクルを採用したターボポンプ・再生冷却式の、推力約100kN級LNGエンジンの開発を進めていました。また、JAXAとIHIエアロスペースは、LE-8で培われた技術を基に、イプシロンロケットの最終段や海外のロケットへの適用も視野に入れた「汎用性のあるLNGエンジン」の研究を続け、2012年にはNASAが研究中のLNGエンジンの性能を上回る基盤技術を確立しました。

近年、日本の民間宇宙開発企業であるインターステラテクノロジズ（IST）は、開発中のZEROロケットの新型エンジンにLNG燃料を採用することを2020年に発表しました。ISTとJAXAは「宇宙イノベーションパートナーシップ（J-SPARC）」を通じて協力関係にあるため、LE-8をはじめとするJAXAのLNGエンジン開発経験が、ISTの取り組みに貢献することが期待されています。国際的にもメタンエンジンの開発競争は激化しており、2023年7月12日には、中国の民間企業であるランドスペース社が開発したメタン燃料ロケット「朱雀2号」が、メタン使用ロケットとして世界で初めて衛星の軌道投入に成功し、この分野における技術の進展を印象づけました。

LE-8は直接の宇宙飛行を果たすことはありませんでしたが、その開発を通じて得られた知見と経験は、日本の、そして世界のLNG/メタン推進技術の発展に不可欠な貢献を果たしています。

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