LE-7A2014年10月30日 00:06

LE-7A
LE-7A


このエンジンについては、以前にも何度か触れた。

(宇宙博)
http://kfujito2.asablo.jp/blog/2014/08/18/7416912

「LE-7Aエンジンの実物は、思ったよりも小さい。
こんなもんで、H2Aロケットを打ち上げているのかと感心した。」

(有人(画像は、宇宙博に展示されていたLE-7Aエンジン):画像だけ)
http://kfujito2.asablo.jp/blog/2014/08/20/7417956

改良前のLE-7エンジンについても、ロケットエンジンの仕組みの中で触れたことがある。

(枯れた技術)
http://kfujito2.asablo.jp/blog/2014/04/11/7272360

(H3ロケット)
http://kfujito2.asablo.jp/blog/2014/03/30/7261948

この中に、液体エンジンの区分が出てくる。

「液体エンジンの種類
・タービン駆動後の処理方式:クローズドサイクル、タービンガスの発生方式:副燃焼室有(2段燃焼:LEー7)
・タービン駆動後の処理方式:クローズドサイクル、タービンガスの発生方式:副燃焼室無(1段燃焼:フルエキスパンダー:RL-10)
・タービン駆動後の処理方式:オープンサイクル、タービンガスの発生方式:副燃焼室有(2段燃焼:ガスジェネレータ:LEー5)
・タービン駆動後の処理方式:オープンサイクル、タービンガスの発生方式:副燃焼室無(1段燃焼:エキスパンダーブリード:LE-5A/B、LEーX) 」

読み返して分かりづらかったので、もう一度整理したい。

ポイントになるのは、燃料を送るターボポンプ駆動用のガスをどうやって発生させるかという点と、その駆動に使ったガスを主燃焼室に戻す(つまり、燃やす)かどうかという点である。

この違いについて解説しているのはこのページ。

(ロケットエンジン)
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AD%E3%82%B1%E3%83%83%E3%83%88%E3%82%A8%E3%83%B3%E3%82%B8%E3%83%B3

構造がシンプルな順に見ていこう。

(エキスパンダーサイクル:フルエキスパンダーサイクルともいう)
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A8%E3%82%AD%E3%82%B9%E3%83%91%E3%83%B3%E3%83%80%E3%83%BC%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%82%AF%E3%83%AB

燃料タンクからの燃料の全てを、主燃焼室とノズルで温めて気化し、その圧力でターボポンプを回す。

副燃焼室を持たず、ターボポンプを回した燃料ガスは、主燃焼室に送られて燃焼される。

このタイプは、様々なバリエーションがあるが、基本的な構造は最もシンプルである。

(エキスパンダーブリードサイクル)
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A8%E3%82%AD%E3%82%B9%E3%83%91%E3%83%B3%E3%83%80%E3%83%BC%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%82%AF%E3%83%AB#.E3.82.A8.E3.82.AD.E3.82.B9.E3.83.91.E3.83.B3.E3.83.80.E3.83.BC.E3.83.96.E3.83.AA.E3.83.BC.E3.83.89.E3.82.B5.E3.82.A4.E3.82.AF.E3.83.AB

このタイプだけ概念図が無いのが残念だが、ブリードサイクルエンジンのバリエーションの一つで、①ターボポンプ駆動用と②主燃焼室での燃焼用に燃料を分け、②の燃料を主燃焼室に送り、①のターボポンプを駆動した燃料は捨ててしまって、燃焼には用いないタイプだ。

副燃焼室は無く、主燃焼室とノズルで温めて気化し、ターボポンプを駆動した燃料ガスは燃焼されずに捨てられる(なんか、もったいないかも)。

(ガス発生器サイクル:ガスジェネレーターサイクルともいう)
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AC%E3%82%B9%E7%99%BA%E7%94%9F%E5%99%A8%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%82%AF%E3%83%AB

概念図を見ると分かるが、一部の燃料と酸化剤を副燃焼室(ガス発生器:ガスジェネレーター)で燃焼させターボポンプを駆動する。

ターボポンプを駆動した排気ガスは、主燃焼室に送られずに捨てられる。

(二段燃焼サイクル)
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%8C%E6%AE%B5%E7%87%83%E7%84%BC%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%82%AF%E3%83%AB

一番構造が複雑で、材料や強度的にシビアなタイプである。

まず、燃料の全てを副燃焼室で燃焼させ、ターボポンプを駆動した後、さらに主燃焼室に送って、もう一度燃やそうというわけである。

副燃焼室への酸素の送り方によって、燃料リッチか、酸素リッチかという2つの方式があるが、酸素リッチの方が材料的には厳しいらしい。

今朝、爆発炎上して、目覚まし代わりになってくれたアンタレスロケットの1段目の元となっているNK-33エンジンは、酸素リッチのタイプである。

(NK-33)
http://ja.wikipedia.org/wiki/NK-33

「エンジンは高圧で再生冷却式の二液推進系二段燃焼サイクルである。副燃焼室からの酸素が多い燃焼ガスでターボポンプを駆動する。この種の燃焼サイクルは高温、酸素過多の排気によって酸化性の高いガスが循環するのでエンジンを構成する金属部材に損傷を与え焼損に至る為、滅多に使用されない」

「開発過程では酸素が多く含まれる燃焼ガスにより焼損が多発した。米国では現在でもまだ酸素リッチエンジンの実用機の開発には成功していない。」

もちろん、我が国が誇るLE-7Aエンジンも、残念ながら燃料リッチである。

様々な利点(後述)がある一方、二段燃焼サイクルは工学的に極めて難易度が高い。

「副燃焼室で発生させるガスはターボポンプを駆動した後においてもなお主燃焼室よりも高い圧力を保っていなくてはならないから、副燃焼室は極めて高圧で動作しなくてはならない。したがって副燃焼室に供給される推進剤を加圧するターボポンプはさらなる高圧で動作する必要が生じる。このようにシステム全体できわめて高い圧力での動作を要求することが二段燃焼サイクルエンジンの開発が困難な大きな理由である。」

なお、用語の混乱を避けるため、「予燃焼室」とか「プレバーナー」(プリバーナ)とか「ガス発生器」などは、本稿では全て副燃焼室と表記している(主燃焼室については、副燃焼室を有しないタイプも含めて「主」を付記した)。

また、タービンポンプという用語は、ターボポンプに統一した(業界用語らしい)。

以上が、液体エンジンのタイプだが、もちろん、ターボポンプを使う2液式に限ってのことである。

圧送式サイクルについては割愛する。

で、二段燃焼サイクルが強度的にも材料的にもキビシイ条件なのに、なぜ採用されているかといえば、もちろん、パワーが出るからということになる。

「二段燃焼サイクルの優位な点は、すべての推進剤が主燃焼室での燃焼に利用されエンジン全体としての比推力が高いこと、また高圧で燃焼できるため大気圧下においても効率の良い高膨張比のノズルを用いることが出来ることである。」

トータルで高いだけでなく、高度が低い時点の効率を高めることも出来る。

そうはいっても、本質的には危ないエンジンともいえる。

(目指すのは「シンプルで爆発しないエンジン」)
http://www.tel.co.jp/museum/magazine/spacedev/130422_topics_05/06.html

「LE-7Aは今までの打ち上げで一度も失敗したことがなく、非常に信頼性が高いエンジンであるが、2段燃焼サイクルは配管内に高温・高圧の燃焼ガスが通っているため、非常にデリケートな制御が求められる。副燃焼室へ供給する推進剤の混合比を間違えると材料の融点を簡単に超えてしまうため、爆発する危険性を常に内包しているのだ。」

(有人も視野に入れる次世代エンジン)
http://www.tel.co.jp/museum/magazine/spacedev/130422_topics_05/05.html

「JAXAの次世代エンジンとして検証が進められているLE-Xは苦労して開発した二段燃焼ではなく、「エキスパンダーブリード」サイクルを採用する。」

「エキスパンダーブリードサイクルは、主燃焼室を冷却して暖められた燃料でタービンを回すため、そうした高温・高圧部がない。不具合が起きたときにも爆発に至りにくい、本質的に安全なエンジンであると言える。また4つのサイクルの中で最もシンプルであるため、コストダウンも容易。LE-7Aは10億円近くだが、LE-Xのコストはその半分を目指すという。」

つまり、LE-7Aは、余命いくばくも無いエンジンということになるわけだな。

せっかく獲得した技術だが、コスト削減と安全性の向上を目指すなら、二段燃焼を追及すべきではないのかもしれない。

主燃焼室の形状を工夫して、大出力化の目処が付いたということもあるだろう。

「LE-Xは主燃焼室における吸熱効率を高め、少量の排気ガスでタービンを回せるようにしたことで、大推力エンジンへの道を開いた。これは、大きな主燃焼室の内壁に微細な溝を作る、最新の製造技術によって可能になったという。」

(我が国の宇宙輸送系の現状と今後の方向性)
http://www.kantei.go.jp/jp/singi/utyuu/senmon/dai12/siryou3_2.pdf

この資料の30ページ辺りに詳細があるが、ホンネもポロッと書いてある。

「① 本質的に簡素で安全な(故障時に爆発に至らない)ことから、衛星打上げロケットに求められる信頼性・低コスト、有人ロケット・再使用型輸送系に求められる安全性のいずれについても世界に類のない特長と優位性。
② 安全に停止可能なためクラスタによる大推力化や冗長化に適する。有人ロケットにおいても搭乗員の脱出までの時間的余裕を確保可能。」

やっぱ、有人やりたいんだよなあ。

しかし、この開発コスト(たぶん、数百億円)を考えれば、現行のLE-7Aのままで行った方が安上がりになるんじゃないのかあ?(この際、有人はきっぱりと諦める)。

製造コストを半分に出来るとか言って、仮に1基当たり5億円安くなるといっても、どうやらH3では、ロケット1機につき2台使うとかいってるし、全然節約にならないんじゃないのかあ?。

(次期大型ロケット「H3」 主エンジンを2基搭載)
http://sankei.jp.msn.com/science/news/130805/scn13080511530004-n1.htm

(H-IIIロケット)
http://ja.wikipedia.org/wiki/H-III%E3%83%AD%E3%82%B1%E3%83%83%E3%83%88

(次期主力ロケット「H3」、民間中心で開発を決定)
http://www.nikkei.com/article/DGXNASDD280QQ_Y3A520C1TJ2000/

「H3は開発費約2000億円と試算されており、打ち上げコストをH2Aの半分程度に抑える。」

仮に大甘に見て、1機当たり50億円が節約できたとしても、トントンにするためには少なくとも40回の打ち上げが必要になり、年間で3回とかしか打ち上げられない現状(商業契約が殆ど取れない)を考えると、初号機打ち上げから14年目ということになる。

2034年になって、やっと現在のファルコン9の価格になるわけで、その頃にはもっと安価な打ち上げシステムが登場しているに違いない(2020年初号機打ち上げとした場合)。

ファルコン9は、とっくに再利用してるだろうし(コスト100分の1?)・・・。

我が国の宇宙開発は、いつまでたっても世界との競争に敗れ続ける羽目になる。

まあ、どうでもいいんですが。

こうしてみると、LE-7Aエンジンというのは、ゼロ戦のようなもんだな。

効率を追求して、とことん軽量化を行い、世界に冠たる性能を発揮しながら、その一方では、パイロットの生存性を犠牲にし、高度な機動ができない未熟な操縦の新米パイロットの命を次々と奪っていった。

新しい技術の台頭で、淘汰されていく運命にある、儚い存在である。

H3の初号機の打ち上げは、2020年ということになっている。

年間3機のペースとすると、LE-7Aは、はやぶさ2の1回を入れても、残りは20基に満たないことになる。

(H-IIAロケット:打ち上げ予定:17機予定)
http://ja.wikipedia.org/wiki/H-IIA%E3%83%AD%E3%82%B1%E3%83%83%E3%83%88#.E6.89.93.E3.81.A1.E4.B8.8A.E3.81.92.E4.BA.88.E5.AE.9A

まあ、H2Bは2基使うから、こうのとりが何回上がるかにもよる。

(宇宙ステーション補給機)
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%AE%87%E5%AE%99%E3%82%B9%E3%83%86%E3%83%BC%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%B3%E8%A3%9C%E7%B5%A6%E6%A9%9F

「HTV5以降の打ち上げ予定は未公表だが、年1機のペースで計7機の打ち上げを見込んでいる。なお、ISSは2020年まで運用が延長されることになったため、2015年以降も打ち上げは継続されると想定される。」

(H-IIBロケット:打ち上げ予定)
http://ja.wikipedia.org/wiki/H-IIB%E3%83%AD%E3%82%B1%E3%83%83%E3%83%88#.E6.89.93.E3.81.A1.E4.B8.8A.E3.81.92.E4.BA.88.E5.AE.9A

「2015年度(平成27年度)以降:
・宇宙ステーション補給機「こうのとり」5号機(HTV5)
・宇宙ステーション補給機「こうのとり」6号機(HTV6)
・宇宙ステーション補給機「こうのとり」7号機(HTV7)」

年間1機だとすると、多くても6機だな。

約30基か・・・(17+6×2=29)。

それで、開発の元は取れるんだろうか。

いや、そもそも、元を取るとか考えてはいけないのかもしれない。

開発が困難な二段燃焼サイクルに挑戦し、紆余曲折を経てものにしたという点だけで、このエンジンは評価すべきなのだろう。

実機をつぶさに見ると、配管の捌きとか、使い捨てとは思えない程整然としており、このエンジンに対する三菱重工の思い入れをひしひしと感じる。

たった1度だけ使われて、消えてなくなるエンジンである(実際は、太平洋上に落下)。

そんなもんに、美的感覚を求めてしまうのが日本人の感性なんだろう。

HTVだって、JAXAは当初、燃え尽きる宇宙船にはマスコットネームは付けないと言っていながら、こうのとりと名付けた(再突入させて、回収を目論んでいるからだろうが)。

まあいい。

ロケットエンジンを見て、美しいなどというと、感性を疑われかねないが、正直言ってそう感じた。

宇宙博でもそう思ったが、再度間近に見て、その感を一層強くした。

儚いものに対する美学・・・。

LE-7Aは、紛れも無く日本人の、日本人による、日本人のためのロケットエンジンである。

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