LE-9

LE-9エンジンは、宇宙航空研究開発機構（JAXA）が中心となり、三菱重工業およびIHIと協力して開発されたH3ロケットの第一段を担う主要エンジンです。このエンジンは、液体水素を燃料とし、液体酸素を酸化剤として使用します。H3ロケットでは、搭載するペイロードの重量や目指す軌道に応じて、LE-9を2基または3基搭載する構成が採用されています。

概要

LE-9の最大の特徴は、世界で初めて実用化された第一段用の大推力エキスパンダーブリードサイクルエンジンである点にあります。H3ロケットの先代であるH-IIA/Bロケットでは、第一段エンジンであるLE-7Aに二段燃焼サイクルが用いられていました。二段燃焼サイクルは燃焼室圧力を高めやすく、比推力の面で優位性がありますが、高温高圧にさらされる部品が多く、構造が複雑になるため製造コストが高くなる傾向があります。

一方、LE-9では、近年の商業衛星打ち上げ市場における競争力強化のため、ロケットの製造費用と打ち上げ費用の削減が重要な目標とされました。この目的を達成するため、LE-9ではよりシンプルで信頼性の高いエキスパンダーブリードサイクルが採用されました。この変更により、LE-9の部品点数はLE-7Aと比較して約20%削減されています。日本国内では、第二段用エンジンであるLE-5A/Bにおいて、推力137 kN未満のエキスパンダーブリードサイクルエンジンの開発・運用実績がありました。しかし、このサイクルはターボポンプを駆動するためのエネルギーを燃焼室からの吸熱に依存するため、大推力を発生させることが技術的に困難とされていました。それゆえ、1471 kNという高い推力が要求される第一段エンジンにエキスパンダーブリードサイクルを適用し、実用化することは世界でも初めての試みであり、LE-9の開発はH3ロケット開発全体における最も挑戦的な要素の一つとなりました。

研究・開発

エキスパンダーブリードサイクルエンジンの開発において、LE-5AおよびLE-5Bでの経験から豊富な知見を持つ三菱重工は、大型燃焼室製造技術の基礎研究として、1999年からプラット・アンド・ホイットニー・ロケットダインと共同で、真空中推力16-27 tf級の上段用エンジンMB-XX（MB-35およびMB-60）の研究を進め、2005年には燃焼試験を実施しました。

これと並行して、JAXAは2002年から将来のロケット第一段に大推力エキスパンダーブリードサイクルエンジンを適用する可能性に関する検討を開始しました。2010年からは、JAXAが主導し、三菱重工、IHI、物質・材料研究機構、産業技術総合研究所が参画する形で、真空中推力1450 kN級の第一段用技術実証エンジン「LE-X」の実証研究が始まりました。この研究では、コンピュータシミュレーションを広く活用しながら要素技術の研究が進められ、大推力エキスパンダーブリードサイクルエンジンの実現可能性が検証されました。

そして2015年、LE-Xでの実証研究の成果を基に、LE-9エンジンの本格的な開発が開始されました。大推力を実現するためには、ターボポンプの大幅な性能向上が不可欠であり、そのためには以下の点が鍵となりました。一つは、三菱重工が担当する燃焼器を大型化し、吸熱および製造技術を向上させてタービン駆動ガスの温度を高めること。もう一つは、IHIが担当する液体水素ターボポンプのタービン性能を向上させることです。

開発過程では様々な課題に直面しました。大型化したLE-Xの燃焼器で発生した大きな圧力変動（燃焼振動）は、LE-9では噴射器エレメントの長さを調整することで共振を抑制し、燃焼室にレゾネータを取り付けることで燃焼安定性を大幅に向上させました。しかし、2017年から始まった実機型エンジンの燃焼試験において、2018年11月以降の試験で、共振に起因する液体水素ターボポンプのタービン動翼の疲労損傷が再び確認されました。また、機械加工で製作した噴射器と3Dプリンターで造形した噴射器の間で特性の違いも見られました。当初は、固有振動数を運転領域から外した設計のタイプ1エンジンを先に認証し、試験機1号機で使用する計画でした。その後に、3D造形噴射器を採用し、抜本的な共振対策を施したタイプ2エンジンを開発し、試験機2号機以降で使用する方針が取られていました。

2020年2月13日には、3基の実機型エンジンを用いた第一段厚肉タンクステージ燃焼試験が8回目として実施されました。

しかし、2020年5月26日に始まった認定型タイプ1エンジンの燃焼試験で、液体水素ターボポンプのタービン動翼に再び共振による疲労損傷が見つかりました。さらに、エンジン燃焼室内壁には、高熱による幅約0.5mm、長さ約1cmの穿孔が14か所確認されました。当初は共振領域をさらに避けるように運転パターンを変更したタイプ1エンジンの再作成が検討されましたが、詳細な検討の結果、この対策だけでは不十分であることが判明しました。このため、液体水素ターボポンプおよび液体酸素ターボポンプの両方のタービン動翼の形状や枚数を見直す設計変更を含む、より根本的な共振対策を実施することになりました。燃焼室内壁の穿孔対策としては、液体水素の噴射量を増やして冷却性能を高めるとともに、エンジンの起動・停止パターンを見直して熱的な負荷を軽減する措置が取られました。これらの新たな対策を施した開発仕様が確立・実証されてから試験機1号機を打ち上げることになったため、H3ロケットの初打ち上げは2021年度に1年延期されました。

2022年1月、JAXAはLE-9の技術的課題について「一定の技術的な目途を得ることができた」と発表しましたが、「ターボポンプの翼の振動データからその他にも配慮すべき事象も確認された」として、H3ロケットの打ち上げ時期を具体的に示すことはできないと、さらなる延期を発表しました。JAXAは開発スケジュールの見通しをできるだけ早く立てたいとしていました。

2022年9月、JAXAは記者説明会で、2022年度内のH3ロケット初打ち上げを目指すことを改めて発表しました。LE-9の技術的課題解決を加速するため、組織や企業の壁を超えた「ターボポンプ開発推進室」を設置したほか、複数の設計チームを編成し、複数の問題解決案に基づいた設計開発を同時並行で進める体制が取られました。各設計チームは、液体水素用と液体酸素用のターボポンプそれぞれに対して、「0の矢」（最小限の設計変更）から「3の矢」（最大限の設計変更）と呼ばれる4種類の設計案を検討・開発し、合計8案の中から最適な設計変更案（矢）が選定されました。その結果、H3試験機1号機に搭載されるエンジンの液体水素ターボポンプには、2021年10月に効果が確認されていたタービンに追加工を施して減衰力を強化する「0の矢」案が、液体酸素ターボポンプには、2021年6月の試験で用いたタービンを基に、タービン入り口部の流れの不均一性を抑制する「1の矢」案が最適と判断されました。これらの対策を施した実機型エンジンは、2022年11月にステージ燃焼試験が行われました。

2022年11月に行われた最終的なエンジン燃焼試験を経て、同年12月23日、試験機1号機の打ち上げ日が2023年2月12日に決定されました。LE-9エンジンは、試験機1号機で使用されるタイプ1、試験機2号機以降で使用されるタイプ1A、そして恒久的な仕様となるタイプ2へと、段階的な開発と改良が進められています。

もう一度検索