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、ロケットターボポンプの試験の内容について詳しく説明します。

極限環境で作動するターボポンプ

ロケットターボポンプは超高速で回転するターボ機械です。

• インデューサ
• インペラ
• 回転軸（シャフト）
• タービン
• 軸受
• 軸シール

上記部品を個々に機能させつつ、全体を適切に組み合わせることによってターボポンプシステムとしての機能と性能を確保しています。タービンでシャフトのトルクを生み出し、その回転を利用したポンプの遠心力作用によって推進剤を高圧にして燃焼室に送り込みます。主たる機能は単純ですが、その作動環境は極限といえるほど厳しいものです。

前回述べたように、インデューサで吸い込む推進剤の圧力は低圧で、ポンプ出口ではその流体がきわめて高圧になります。一方、温度環境については、高温ガスで駆動するタービンは高温（700～900K）で、インデューサやインペラの中を流れる水素や酸素は極低温（20～100K）です。エンジンのなかで最も高い圧力（超臨界）と最も低い圧力が共存し、さらに高温と極低温も共存するのがターボポンプです。流体は高圧部から低圧部に向かって流れ（漏れ）やすく、構造材料は高温部では伸びて低温部では縮みます。そんな環境の中で、タービンと遠心ポンプを装備したシャフトが静粛に超高速で回転し、0.1mmほどの軸振動も起こしてはならないという過酷さです。

ターボポンプの開発試験

ターボポンプは要素部品ごとに開発が進められます。

例えば・・・

• インデューサ
  極低温流体の代わりに水を用いて、モータで回転させてキャビテーションの発生状態を確認します。
• 軸受
  冷却流量を減らして軸受の耐久性や損傷具合を調べます。
• 軸シール
  厳しい作動環境を模擬して漏洩量の変化や耐久性などを調査します。

一つひとつの機能部品の機能や性能が確認できたら、いよいよターボポンプシステムとしての単体試験が行われます。ターボポンプ単体試験では、各部の圧力、温度、加速度、流量、振動などを計測するために、たくさんのセンサが取り付けられます。

試験はターボポンプと試験設備を予冷することから始まります。予冷とは、ターボポンプを回転させる前に推進剤と同程度の温度になるまで全体を冷やしこむことです。冷やす過程で極低温流体は液体から気体に相変化し、体積が急増します。全体を同時に冷やすことはできないため、3~4時間程度の時間をかけて上流側から徐々に冷やしこんでいきます。設備が冷えていくと配管などは縮むので、ガス化した流体が接続部などから漏洩しやすくなります。もし漏洩が検知されても、低温状態になってしまっているのでガスケットやシールの交換は容易には行えないため緊張する場面です（シールの交換を要する場合は、試験はすぐには再開できず翌日か翌々日以降になってしまう）。液体水素の場合、予冷が進むとターボポンプが空気の沸点（窒素は-196度と酸素は-183度）よりも低温になるので、周囲の空気が冷えてできた液体空気がターボポンプの周りからポタポタと滴り落ちるようになります。ちなみに液体酸素は薄いブルーの澄んだ色をしています。



ターボポンプの軸受温度が作動流体の温度と同程度まで下がると予冷完了です。ターボポンプの作動はタービンに駆動ガスを供給することで回転が始まります。回転が始まるとターボポンプの周囲に付着していた霜が振り落とされ、緊張感が一気に高まります。ターボポンプが回転し始めると、ほんの数秒でフルパワーの42,000rpm（LE-7A 水素ターボポンプ）まで一気に上昇します。この間に軸系の危険速度を3回乗り越えます。ターボポンプ単体試験の試験時間は10秒程度ですが、その短いあいだにポンプ流量を変化させたり、インデューサ入口の吸込み圧力を変化させたりすることで、さまざまな条件におけるデータを取得します。インデューサ入口への流入条件を実際のロケットの飛行状況と一致させるために、推進剤タンクからターボポンプまでの間に装着されている実物のフィードラインを取り付けてターボポンプ単体試験を行ったこともあります。インレットディストーションを模擬した試験です。

ロケットエンジンは、ターボポンプから吐出された流体が燃焼室などで熱交換されたあと再びターボポンプに戻り、その流体の一部がタービン駆動ガスとしてタービンに供給されるようになっています。しかしながらターボポンプ単体試験では、タービン駆動ガスとポンプ流体は別々に分かれた系統から供給されます。よって、単位時間あたりに消費する推進剤の流量はロケットエンジンの燃焼試験などに比べて2倍程度になります。水素ターボポンプ単体試験を例にとると、タービン駆動ガスは水素ガス、ポンプ流体は液体水素（超臨界）であり、極めて膨大な量の水素を取り扱うことになりますが、水素の反応性が高いため燃焼させて安全に処理します。タービン駆動用水素ガスは空気と水が付加されて燃焼し、水蒸気となって煙突のようなところから上空に向けて排出されます。大量の水蒸気は高空で冷やされて、局所的に地上に雨を降らせることがあります。一方のポンプ流体の液化水素は、プールのような大きさの水槽（バーンポンド）からガスとなってブクブクと噴出し、そのガスを着火することで上空に向かって100m近い炎となります。





ターボポンプ単体試験はつねにハラハラドキドキですが、超高速回転で回っているときに聞こえてくるヒューンという何とも言えない音を聞いて余韻に浸れる瞬間があります。

最後に

筆者は、JAXAから大学に異動した後、JAXA客員としてLE-9エンジンやH-3ロケットの開発に微力ながら関わりつつも民間企業との共同研究などを通じてロケットエンジンの研究開発を行っており、最近は、ロケットだけではなく超小型人工衛星にまで手を広げています(笑)
先日も、大阪府立大学と共同開発した超小型衛星「ひろがり」が国際宇宙ステーションから無事に放出され、二次元展開板構造の展開を宇宙空間にて実証しました。
ホリエモンチャンネルにて、ホリエモンとの対談なども行っていますので興味のある方は、ぜひ「ホリエモンチャンネル」「内海」で検索！