初学者のためのロケット開発史入門

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国産水素ロケット・エンジンの開発

 

戦後、航空関連研究を禁止された経緯もあり、我が国の打上げロケットは、大きく遅れをとっていました。

 

解禁直後、ようやく固体ロケットの研究が復活し、規模拡大によって実用ロケットに漕ぎつける構想が動き出したものの、実用(通信・放送・気象など)衛星早期打ち上げの要求に到底間に合わず、1970年には、米国液体ロケットの全面技術導入路線に舵を切ります。国産化先行研究のために、1965年には、航空宇宙技術研究所(NAL)角田支所(宮城県)が設立されていたのですが、固体/液体を問わず、国内研究陣は落胆消沈したとの記憶が伝わっています。

 

人類の月面到達直後の1969年秋には、実用衛星を打ち上げるべく、また技術導入の受け皿として、宇宙開発事業団(NASDA)が設立されています。しかし、技術導入・ライセンス国産のままでは、都度、導入元の承認行為を要するなど、自在な打上げ活動はままならず、導入技術を応用しつつも段階的に国産化を進めようとの機運が高まります。

 

焦点は、より規模が小さく、性能感度の高い2段機体・エンジンの新規開発に向けられました。欧州さえ初の小型水素エンジン HM7を開発途上の当時、代替に世界最高峰の水素エンジンを選ぶには、紆余曲折があったはずですが、そこは別稿に譲るとして、とにかく国内先行研究陣は、起死回生を果たします。

 

 

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国産初の水素エンジンLE-5の開発

 

1976年に予算が認められ、開発に着手したLE-5エンジンは、国産初のターボポンプ式エンジンであり、そもそも開発に着手するために試験設備の整備、また液体水素の工業的生産・公道輸送実験から手掛けなければなりませんでした。研究部門が先行研究を展開してはいたものの、海外からは「日本の水準で出来るはずはない」と漏れ聞こえたこともあながち過小評価とは言えない実状だったのです。

 

結果として国内英知を結集して開発体制を組むことができ、理想的な開発だったと振り返る向きもあるのですが、実態、爆発・火災事故をも経験し、決して順風満帆ばかりではありませんでした。中でもその初期、液体水素ターボポンプの開発は難航を見ました。一時は経営陣から、「一から設計をやり直せ(zero base設計見直し)」の指示が飛んでいたほどでしたが、なんとか問題解決に漕ぎつけることができました。

 

その後、酸素/水素両ターボポンプと燃焼室を組み合わせ、システム燃焼試験にかかります。極低温酸水素が突沸しないように、十分ポンプを冷やし込んだ後(予冷)、燃焼室に点火し、適正な混合比を保ちつつ、全系をたち上げる手順(シーケンス)を確立するには、行きつ戻りつ試行錯誤を繰り返しました。

 

冷やし込みでは、紛れ込んだ大気中の水分が、いや、それどころか大気自体が凍結し(液体水素温度零下253℃(20K)では、酸素も窒素も凍結する)、細かい流路を塞ぎ、あるいは点火電流を迷走させました。また、振動・変形によって、水素は容易に漏洩し、すると多くは火災に至ったのです。

 

起動手順が確立されると、大気環境から真空中の燃焼試験に進みました。高燃費を実証するためには、大口径ノズルを用いて実際に作動する真空環境まで燃焼ガスを膨張させ、高速噴射性能を確かめることが必要です。このために、角田ロケット開発センター(宮城県)に、我が国初の高空燃焼試験設備を整備しました。そこでは直径4m、長さ8mの真空槽の中にエンジンを固定し、蒸気動力の掃気装置で、毎秒30kg発生する燃焼ガスを排気しつつ、450secのフル時間燃焼試験に成功しています。こうして、世界的にも至難とされていたエンジン再着火技術も独自に確立できました。

 

この開発の間に、システム動特性シミュレータが確立され、予測のもとに、エンジン燃焼試験を行えるようになったことを特記しておきます。これも、当時斬新独自のアイデアであった起動方法(タンクヘッドスタート)の実現性に疑義が上がり、検証のため突貫工事で計算アルゴリズムを創り上げたものです。結果的に、起動成立を検証できた上、予測計算結果は、その後の実データによい一致を示しました。溜飲を下げた記憶です。

 

このLE-5エンジンを搭載したH-Iロケットは、足掛け10年後の1986年初飛行に成功し、我が国打ち上げロケット国産化の実質的第一歩となりました。

 

 

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シノドス国際社会動向研究所

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