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 宇宙航空研究開発機構(JAXA)は、開発中の次期ロケット「H3」初号機打ち上げを2020年度から2021年度に1年延期した。第1段主エンジン「LE-9」が燃焼試験で発覚した異常を検討した結果、開発の手戻りを余儀なくされたからだ。JAXAは2020年9月18日に開いたオンライン記者説明会を開催。発生した異常は燃焼室内壁に発生した亀裂と、液体水素ターボポンプのタービンブレードに発生した破断の2つであると説明した。

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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 JAXAの会見でH3ロケットの開発プロジェクトを仕切るH3ロケットプロジェクトマネージャの岡田匡史氏は、「2020年度中の打ち上げを目指して山の9合目まで来たと思ったが、8合目まで戻ってしまった」と述べた。

 H3ロケットの開発は今後、どのように進むのか。同じ三菱重工業が開発に深く関与する「三菱スペースジェット」(旧MRJ)のように、開発がずるずる遅延し、このまま打ち上げの再延期を繰り返す羽目にはならないのか。結論から言うと、著者は「そうはならない。1年の延期で打ち上げられる可能性が高い」と考える。そう結論づけられる理由を技術の視点から解説しよう。

簡素で安全性の高いエキスパンダー・ブリード・サイクル

 実は異常が発生した2つの部位は、LE-9の開発が始まる前から「もし問題が出るならここだろう」と予想されていた箇所である。理由は、LE-9のコア技術とい言えるエキスパンダー・ブリード・サイクルというエンジンサイクルの自体の特性にある。

 液体ロケットエンジンは、液体の燃料と酸化剤を燃焼室に押し込み、燃焼させて発生した高温ガスをノズルから噴出させて推力を得る。ここで問題になるのは高圧になる燃焼室に燃料と酸化剤を押し込むポンプの動力をどうやって得るかだ。エンジンサイクルはポンプの動力を得る方法でロケットエンジンを分類したものだ。

ロケットエンジンの各種サイクル
ロケットエンジンの各種サイクル
(出所:JAXA)
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 最も基本的で「全ての液体ロケットエンジンの基礎」といわれるのが、「ガス・ジェネレーター・サイクル」(以下、GGサイクル)である。

 GGサイクルでは、主燃焼室とは別にガスジェネレーター(ガス発生器、以下、GG)という小さな副燃焼室を備える。少量の燃料と酸化剤をGGに導いて燃焼ガスを発生させ、このガスでターボポンプのタービンを回して圧力を発生させ、燃料と酸化剤を主燃焼室に圧送する。タービンを回した後のガスはそのまま排出する。

 欧州宇宙機関(ESA=European Space Agency)が開発した「アリアン5」*1第1段「ヴァルカン2(Vulcain2)」エンジンや、米航空宇宙局(NASA=National Aeronautics and Space Administration)らが運用する「デルタ4」*2第1段エンジン「RS-68A」エンジン、米国の宇宙ベンチャー、Space X(スペースX)の「ファルコン9」*3の「マーリン1D」(Merlin 1D)エンジンなどこのGGサイクルを採用している。

*1 アリアン5(Ariane 5):ESAと旧仏EADS Astrium Space Transportation(EADSアストリウム・スペース・トランスポーテーション、現在はエアバスグループの一部門)が製造。仏Arianespace(アリアンスペース)が販売しているロケット。
*2 デルタ4(Delta IV):米Boeing(ボーイング)が設計し、米United Launch Alliance(ユナイテッド・ローンチ・アライアンス)が製造しているロケット。
*3 ファルコン9(Falcon 9):米スペースX自らが設計・製造・運用を手掛ける。

 ロケットエンジンは燃焼室圧力が高くなるほど高性能になる。具体的には比推力という性能指標が良くなる。しかしGGサイクルは燃焼室圧力が10MPa(約100気圧)を超えるあたりからGGに必要な燃料と酸化剤の比率を増やす必要が出てくる。ターボポンプを回した後のガスは捨ててしまうので、この分の燃料と酸化剤は推力発生に寄与しない。つまり効率が悪くなる。

 そこでより一層の高圧燃焼を可能にするために考案されたのが「2段燃焼サイクル」だ。このサイクルでは、GGをプリバーナー(予燃焼器)と呼ぶ。プリバーナーでは燃料の全量と一部の酸化剤、あるいは酸化剤の全量と燃料の一部を使って高温の不完全燃焼ガスを作り、ターボポンプを駆動する。駆動後のガスは捨てずに、そのまま主燃焼室に押し込んで残りの酸化剤ないしは燃料と混合して噴射する。

 プリバーナーで燃料の多い不完全燃焼ガスを発生させるのが「燃料リッチ2段燃焼サイクル」、酸化剤の多い不完全燃焼サイクルを発生させるのが「酸化剤リッチ2段燃焼サイクル」だ。