室蘭工業大学 教授 / 航空宇宙機システム研究センター長

内海 政春

1994年4月～2017年1月　　宇宙開発事業団（現，宇宙航...もっと見る 1994年4月～2017年1月　　宇宙開発事業団（現，宇宙航空研究開発機構）
2006年10月～2007年10月　イタリア ピサ大学工学部航空宇宙工学科　客員研究員
2015年～　　　　　　　　 東京工業大学　非常勤講師
2017年～　　　　　　　　 室蘭工業大学　教授
2020年～　　　　　　　　 北海道大学　客員教授（f3工学教育研究センター 副センター長）

今回は飛行時のロケットターボポンプの作動環境についてお話ししたいと思います。

日本のロケットインデューサの技術

ターボポンプはロケットエンジンの最上流部に装備されていて、推進薬が充填されているタンクから推進薬を大量に吸い込み、高圧にして燃焼器に送り込む役割を果たしています。高圧にすればするほどエンジンで発生するパワーが強力になります。もちろんターボポンプを使わない方式もあり、それはタンク全体を高い圧力で加圧して推進薬をエンジンに送る、タンク加圧方式と呼ばれる方式です。この方式はタンクが高圧に耐えられるようにタンク壁を厚くする必要があり、タンク重量が増加するので小型ロケットのみに適用されます。

人工衛星を軌道に送り届けるようなロケットはターボポンプ方式になっています。ターボポンプがタンク内の推進薬を低圧で吸い込めば、タンク壁を薄くして軽量化できるので、ロケット全体の構造重量が低減できてロケットの打上げ能力が向上します。どの液体ロケットも少しでも吸い込み性能がよいターボポンプが欲しいため開発にしのぎを削っているのです。

H-IIAロケットでは毎秒500リットル以上の液体水素を直径約16cmの高速回転する羽根車（インデューサ）で吸い込んでいて、液体状態の水素がインデューサのところでは飽和蒸気圧よりも低圧になり、気体（キャビテーション）が生じた二相流となっています。

インデューサに生じるキャビテーション

海底に沈んだエンジンの残骸

1999年11月に打上げた日本のH-IIロケット8号機は、飛行中のエンジンが突然パワーを喪失してロケットの打上げが失敗しました。ロケットは搭載していた人工衛星とともに落下し海底に沈みましたが、なんと海底3,000mから沈んだエンジンを引き上げて、失敗の原因が何であるのか詳細に調査が行われました。

その結果、キャビテーションによってインデューサの羽根が折損していたことがわかりました。打上げは失敗してしまいましたが、徹底的な原因究明とその後のキャビテーション研究の発展により、日本のロケットインデューサの技術は格段に向上しました。その実力の証として、吸い込み性能は世界一といってもよいでしょう。

気圧変化は大敵

ロケットの飛行中、ロケットエンジンが発生するパワーは一定ではありません。実は大気圧の影響を大きく受けています。ロケットが地上にいるときの大気圧は1気圧（約0.1MPa）ですが、飛行中は高度ともに時々刻々と大気圧が低下していきます。エンジンのパワー（推力）には速度推力と圧力推力の2つがあり、圧力推力は気圧の低下とともに上昇していきます。

もうひとつ、大気圧の変化に敏感なのが液体水素タンクの圧力です。先ほど述べましたが、タンク壁は薄く作られているので、打ち上げ直後の大気圧に合わせてタンクを加圧していると、高度が上がって気圧が下がるとタンクの圧力が大気圧よりも大きくなりすぎて破裂してしまう恐れがあります。そうならないように高度に応じてタンクの圧力を下げていくのですが、これがまたターボポンプにとっては過酷な状況になるのです。つまり、タンクから供給される推進薬の圧力が低くなるので、キャビテーションの発生が顕著になるのです。

このように、フライト中にエンジンの作動環境は変化し、エンジンのパワーやターボポンプの回転速度も変化しています。ロケットエンジンの開発時には実際に飛行させるわけにはいきませんので、地上に据え付けた状態で、想定されるあらゆる作動環境を模擬して試験を行います。すべての飛行条件においてエンジンが健全に作動できるかどうかを検証しなければなりません。エンジンは非常に多くの精密機器で構成されており、その重要コンポーネント一つひとつに至るまで、それぞれの作動環境を網羅するような作動実証を行い、健全性を確認する必要があるのです。

今、新しい日本の基幹ロケットH3の開発が行われています。そのメインエンジンであるLE-9もまさに今この過酷な試験を繰り返し行っているところです。

次回は、ロケットターボポンプの開発についてお話ししたいと思います。