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 LE-9エンジン燃焼室の損傷に液体水素ターボポンプのタービン破損——。宇宙航空研究開発機構(JAXA)は2020年9月18日、「H3」ロケット初号機打ち上げ延期に関してオンラインで記者会見を開き、新開発のLE-9エンジンに発生したトラブルの詳細を説明した。

 JAXAはこの会見に先立ち、2020年9月11日に開いた山川宏理事長の定例記者会見でH3ロケット初号機の打ち上げを2020年度から2021年度に1年延期すると発表していた。延期の理由は、第1段エンジンとして開発中のLE-9エンジンの燃焼試験でトラブルが発生したためだ。

種子島宇宙センターのテストスタンドで燃焼試験を実施したLE-9エンジン。
種子島宇宙センターのテストスタンドで燃焼試験を実施したLE-9エンジン。
(出所:JAXA)
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 9月18日の記者会見でトラブルの詳細を説明したJAXAプロジェクト・マネージャーの岡田匡史氏は、以前より「エンジン開発には魔物が潜む。何が起きてもおかしくはない」とロケットエンジン開発の難しさを語っていた。今回発生した2つのトラブルは、その岡田氏が言及していたエンジン開発につきまとう「小さいが見過ごすことができない魔物の仕業」だった。

エンジン燃焼室壁面と液体水素ターボポンプのタービンの羽根に亀裂

 LE-9エンジンは、H3ロケットの第1段用にJAXAが開発している大型液体ロケットエンジンだ。定格推力は1471kN(150tf)。液体水素を燃料に、液体酸素を酸化剤に使用する。これらは独立して動作するターボポンプで燃焼室に押し込まれ、燃焼したガスをノズルから噴射して推力を得る。ターボポンプを駆動するのは、燃焼室壁面に液体水素を通して得られる高温の気体水素ガスだ。このようなエンジン形式をエキスパンダーブリード・サイクルという。

LE_9エンジンの概要。
LE_9エンジンの概要。
(出所:JAXA)
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 トラブルは、2020年5月26日に種子島宇宙センターのテストスタンドで実施した燃焼試験で発生した。エンジン燃焼室の壁面と液体水素ターボポンプのタービンの羽根に、亀裂が見つかったのだ。

 この試験は、実際の打ち上げに使うエンジンと同じ仕様の認定型エンジンを使って、エンジンの完成度を調べる認定試験の8回目だった。この試験では、燃料と酸化剤の混合比などの運転条件を、製造誤差や実際の飛行時にかかる加速度による配管入り口圧力変化などから、運用時に起こり得る最も厳しい条件に設定。それでもトラブルを起こさずに運転できるか否かを確認した。

 ロケットは製造時の誤差から打ち上げ時の天候に至るまで、さまざまな条件の変化を受けながら運用する。それらの条件は正常値を中心に「ここまでなら大丈夫」という幅を設定して管理する。これらの条件が許す範囲内で全て悪い方に出てもエンジンが正常に運転できるのを確認する試験だった。

 試験そのものは243秒の燃焼の予定が、225.5秒で液体水素ターボポンプのポンプ入り口圧力が事前に設定した値を割り込んだので終了した。この状況自体は事前検討の範囲内で異常ではない。しかし、試験終了の翌日にテストスタンドで燃焼室内部を目視で検査した際に見つかった燃焼室壁面の亀裂は、事前検討の範囲外だった。

 エンジン燃焼室の壁面の内側には液体水素を流して冷却するための溝が約500本彫り込んである。溝の走っている部分の壁面は溝を彫り込んだ分、薄くなっている。この部分に14カ所の亀裂が発生していた。最も大きな亀裂は幅と長さがおよそ0.5mm×10mmに及んでいた。

 さらに後日、エンジンを分解検査したところ、液体水素ターボポンプのタービンの羽根にも亀裂が見つかった。LE-9液体水素ターボポンプのタービンは2段式で、2枚のタービンディスクを持つ。このうち2段目ディスクの円周に並ぶ76枚の羽根(ブレード)のうち2枚に亀裂が発生していた。