主エンジンに亀裂発覚でH3ロケット1年延期、タービンは設計全面見直し

　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^＊1に発生したトラブルの詳細を説明した（図1）。

図1　 LE-9エンジン燃焼試験の様子

種子島宇宙センターのテストスタンドでの燃焼試験。写真は2020年2月13日に実施された認定型エンジン第1回燃焼試験で撮影したもの。（出所：JAXA）

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　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^＊2。エンジン開発の最終段階である認定型エンジンの燃焼試験で、トラブルが出たのだ。

燃焼室壁面と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。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（図2）。

図2　LE-9エンジンの概要

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で駆動し、使用後のガスはノズル内に排出する。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。（出所：JAXA）

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　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^＊3。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。この冷却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。

　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枚の動翼を持つ。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。