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 低コストと高い信頼性、そして柔軟性という3つの柱を高いレベルで実現するため、H3ロケットではさまざまな新技術を導入している。それは、機体の各所に見て取れる。組み込まれた機器だけでなく、その製造方法、さらに打ち上げを実施する射場でもH3は従来と一線を画す。今回新開発のメインエンジン「LE-9」について解説する。

大型エンジンに不向きとされていた「エキスパンダー・ブリード・サイクル」

 H3の第1段メインエンジンとして新規開発した「LE-9」は、推力100tf(約980kN)クラスの大型液体ロケットエンジンとしては世界で初めて「エキスパンダー・ブリード・サイクル」と呼ぶ燃焼サイクルを採用した。エキスパンダー・ブリード・サイクルは推力30tf(約284kN)以下の推力のエンジン向きで、100tf以上の推力を必要とする第1段エンジンには向いていないとされてきた。それをJAXAと三菱重工業は全体システムを見直すことで通説を覆した。

 液体ロケットエンジンは、ターボポンプで液体推進剤を燃焼室に吹き込んで燃焼させ、発生した高温の燃焼ガスをノズルから噴射して推力を得る。このため、ターボポンプを駆動する高温ガスを別途必要とする。この高温ガスを生成するため、噴射に使う燃焼室(主燃焼室)とは別の小さな燃焼室で少量の燃料と酸化剤を燃やす方法がある。この方式を採る燃焼サイクルには、「ガスジェネレーターサイクル」と「2段燃焼サイクル」がある。どちらも「小さな別の燃焼室で燃やしたガスでターボポンプを駆動する」点は共通である。

 これらに対して、燃焼時に高温になる燃焼室やノズルの外壁内部に推進剤を循環させて冷却を行うと共に、気化した高温ガスでターボポンプを駆動する方式を「エキスパンダーサイクル」という。その中で、ターボポンプ駆動後のガスをノズルなどから捨てる方式をエキスパンダー・ブリード・サイクルと呼ぶ。

図 LE-9実機型エンジンの燃焼試験
図 LE-9実機型エンジンの燃焼試験
燃焼室壁面から得る熱エネルギーを高効率でターボポンプの仕事に変換することが、LE-9実現のカギだった。(出所:JAXA)
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 エキスパンダーサイクルは、ターボポンプ駆動用の高温ガスを発生させるためだけの燃焼室が不要になるので部品点数が減り、コストダウンできる。どこが破損しても爆発には至らず安全性も高い。その半面、高温ガスを発生させる熱エネルギーを壁面からの吸熱で得るため、壁面の面積で推力の上限が決まる。

 ところが、サイズの大きな大推力エンジンは、吸熱の面積が相対的に小さくなる。物体が大きくなると体積は寸法の3乗に比例して大きくなるが、表面積は寸法の2乗に比例して大きくなるからだ。その結果、ターボポンプを駆動する熱エネルギーが足りなくなってエンジンとして成立しなくなると考えられてきた。