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JAXA

H3ロケット不具合修正の目処立たず、打ち上げ再延期へ 49

ストーリー by nagazou
コストとの戦いもあるからなあ 部門より
あるAnonymous Coward 曰く、

エンジンの不具合により打ち上げが2021年度に延期されていたJAXAの次期主力ロケットH3だが、共同通信が報じたところによると、問題となったエンジンの再設計・製造の目処が立たず、打ち上げを再延期する方針であることが明らかになった(共同通信)。

ISSへの物資補給を担うHTVなど、既にH3を使うスケジュールになっているため、各方面への影響は避けられない見込み。過去に報じられたように、LE-9エンジンに採用したエキスパンダーブリードサイクルが大型化に向かない事による問題という根本的な設計ミスに起因するようなので、解決にはさらに時間を要するのかもしれない。これはH-2Aの再登板などになるのだろうか?

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  • 構造の違い (スコア:4, 参考になる)

    by simon (1336) on 2022年01月18日 15時24分 (#4186525)

    ・ロケットエンジンの推進剤を大量に燃焼室に送り込むにはターボポンプが使われる。
    ・ターボポンプのタービンを駆動するガスは燃料(水素)

    ・燃焼室とノズル冷却に燃焼前の液体水素を使う
    ・液体水素は燃焼室・ノズル冷却中に加熱され膨張する

    ここまでは
    H2Aの1段目エンジンLE-7A(二段燃焼サイクル、真空中推力112tf、真空中比推力440秒)
    H3の1段目エンジンLE-9(エキスパンダーブリードサイクル、真空中推力150tf、真空中比推力425秒)
    も同じ。

    その膨張した水素を液体酸素と混ぜてプリバーナー(予燃焼室)で燃やし、発生した燃焼ガスでタービンを回し燃料ポンプを駆動する。燃焼ガスはわざと水素を余らせておき(燃料リッチ)、主燃焼室に噴射してもう一回燃やす。これが『二段燃焼サイクル』。H2AロケットのエンジンLE-7Aはこの方式。

    一方、『エキスパンダーブリードサイクル』では冷却に使った膨張した水素でタービンを回して燃料ポンプを駆動する。水素は一部を捨てて残りを燃焼室に送り込んで燃やす。LE-9はこの方式。

    LE-9の『エキスパンダーブリードサイクル』は
    〇二段燃焼サイクルと比べるとタービン駆動ガスは低温なのでそこまで難しくない
    〇エンジン内に高温高圧の燃焼ガスパイプが走らないので安全
    ×燃料の一部を捨ててしまうので比推力(燃費)は若干落ちる
    って特徴がある。

    で、問題はこのエキスパンダーブリードサイクルはH2Aの2段目のエンジン、LE-5Bで使われたが大型化は困難なんじゃねえの?って言われてたんだけど
    その危惧が当たってしまった、ってことなのでは。

    • by Anonymous Coward

      ターンポン

      なんちて

    • by Anonymous Coward

      とりあえず出力を半分にして二個つければいいと思った。
      問題を解決できたら一本構成に戻す。

      • by Anonymous Coward

        H3はエンジン2~3基構成。なので半分にしたら4~6基クラスターになりますね。Falcon9が9基クラスターなので非常識な数じゃないけど、新規開発要素は増えることに。

      • by Anonymous Coward

        なれるSEの……えーっと六巻だっけ。
        あれに出てきた「新商品」みたいだな。

        複数機能を搭載した新型機だが、本当に複数の機能を使おうとすると不具合だらけ。
        しょうがないので二台構成にして、それぞれ単一機能を割り振った。。。問題解決したら以下同文。

        コピー専用と印刷専用で合計二台の複合機を導入するみたいな状況。
        複合機だったんじゃなかったんかい。

        • by Anonymous Coward

          スキャン専用でもう一台!(笑)

        • by Anonymous Coward

          なれる!SE懐かしいな。インフラエンジニアのお仕事もほぼAWS、GCP、Azureに持っていかれた昨今ちゃんと仕事は続けられているだろうか

          • by Anonymous Coward

            AWS、GCP、Azureが雲の上で動いていると思ったら大間違いですよ:)

  • H-2Aの再登板 (スコア:4, 興味深い)

    by simon (1336) on 2022年01月18日 15時38分 (#4186532)

    >これはH-2Aの再登板などになるのだろうか?

    H2Aは50号機で終了予定。(去年12月23日に打ち上げたのが45号機。予定にあるのはあと5機)
    今のところH2Aで打ち上げ予定の衛星は

    2022年度
    ・X線分光撮像衛星 XRISM(X線天文衛星ひとみ代替機)
    ・情報収集衛星レーダ7号機

    2023年度
    ・情報収集衛星光学8号機
    ・情報収集衛星レーダ8号機
    ・温室効果ガス・水循環観測技術衛星 GOSAT-GW

    H3で打ち上げ予定なのが
    ・先進光学衛星だいち3号(2021年度予定)
    ・Xバンド防衛通信衛星3号機(2022年度予定)
    ・HTV-X1号機(2022年度予定)
    ・準天頂衛星5~7号機(2023年度予定)

    https://www8.cao.go.jp/space/plan/plan2/kaitei_fy02/kaitei_fy02rev.pdf [cao.go.jp]
    P.32参照

    H3予定の衛星をH2Aに変更するってことなら製造に2年くらいかかるので今発注しないと間に合わない感じがしますね。

    国際宇宙ステーションへの補給機HTV-Xは…スペースXのカーゴドラゴンかロシアのプログレスを日本が費用負担して余計に打ち上げてもらいますか。(旧型の補給機「こうのとり」はH2Bでしか打ち上げられないがH2Bは生産ラインを閉じてしまった&種子島宇宙センターのH2B専用発射台はH3用に改修工事が終わってるのでムリ)

    他のH3予定衛星は日本政府が発注元なのでJAXAと三菱重工が関係各所に頭を下げれば済む問題なのですが、
    問題なのが海外企業から受注しちゃった衛星打ち上げなんですよね。
    https://sorae.info/030201/2018_12_10_h3.html [sorae.info]
    『三菱重工業は2018年12月6日、英インマルサットと「H3」ロケットによる人工衛星の打ち上げ契約で合意』
    (打ち上げは2022年以降)

    これはどうするんでしょうか。H2Aでも打ち上げられるのかな?せっかく打ち上げ受注できたのにもったいないっすね……

    • by Anonymous Coward

      他に当てがないならH2Aにするんじゃないかな
      コストが安いが売りのH3を予定してたのだから支払いはH3前提のままで赤字気味な打ち上げになるのかもしれないが

  • by Anonymous Coward on 2022年01月18日 14時47分 (#4186500)

    ロケットの仕様はそれに基づいて決められたのじゃないのか?
    壊れるとか、共振が起こるとかなら兎も角も。

    • by Anonymous Coward on 2022年01月18日 18時28分 (#4186616)

      「エクスパンダーブリードで大推力は出せるのか?」という検証のためにJAXAはLE-Xエンジンってのを開発したわけだけど、これって実機作ってないんだな。
      https://warp.da.ndl.go.jp/info:ndljp/pid/2942684/www.rocket.jaxa.jp/ro... [ndl.go.jp]

      燃焼室とターボポンプの要素試験は行ったけど、エンジンとして組み上げての燃焼実験はしてないっぽい。

      https://www.rocket.jaxa.jp/rocket/engine/le9/ [rocket.jaxa.jp]
      >本技術を実証するために、実機に近い大きさの燃焼室やターボポンプを用いた試験を行いました。

      LE-Xはコンピュータシミュレーションを用いた効率的な開発法を採用した、とか自画自賛してたけどそれってシミュレーション上でしか大推力の確認は取れてないってことだったのでは?

      実機エンジン作るカネがなかったから作らなかったことがこんな形で響いてくるとは

      親コメント
      • by Anonymous Coward

        カネがなくて燃焼試験もろくにできないから計算で何とかするしかないって、LE-7で痛い目見たのに全く進歩していない…

    • by Anonymous Coward

      その地上燃焼試験でエンジン壊れちゃってますからねぇ。もう論外。

      • by Anonymous Coward on 2022年01月18日 15時09分 (#4186516)

        令和の誉エンジンか。

        親コメント
        • by Anonymous Coward

          MRJ...いえ何でもないです

        • by Anonymous Coward

          誉は特別、壊れやすいってことはないのでは?
          誉の試作エンジンを搭載した機体を担当した軍の試験官は「よくも、こんな素晴らしい飛行機を作ってくれて有難う」と涙を流して喜んだらしいし。

          • by Anonymous Coward

            それただ脊椎反射で否定してるだけで何の証拠にもなってないじゃん

          • by Anonymous Coward

            まあまともな燃料やオイルがあれば動いただろうから。
            動いただろうというのは予想でしかないが。

  • by Anonymous Coward on 2022年01月18日 14時57分 (#4186508)

    >エキスパンダーブリードサイクルが大型化に向かない
    シミュレーションとかしてるはずだけど、見切り発車してしまったのかなぁ
    向かなくても解決策とかを見出していて、それがうまく行かなかったのかなぁ
    手戻りが発生してしまうか、どこまで戻ってしまうか
    中の人はご苦労さまです。

    • by Anonymous Coward

      2013年の記事ですが

      https://www.tel.co.jp/museum/magazine/spacedev/130422_topics_05/06.html [tel.co.jp]

      >LE-Xは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。

      とあるので、思ったほど効果が出なかったのかもしれませんね。

      • by Anonymous Coward

        微細な溝を大きなエンジンに付けたとき精度が尋常じゃなく必要になったとかかな。
        束ねて使うでもよさそうだけど。

        • by Anonymous Coward

          https://monoist.itmedia.co.jp/mn/articles/2010/14/news013.html [itmedia.co.jp]
          2020年10月の延期発表の時の記事「H3ロケットの完成が1年延期に、エンジン開発の「魔物」はどこに潜んでいたのか」

          「大型化での技術的な課題となっていたのは、燃焼室の冷却時にいかに効率良くエネルギーを獲得できるか、ということだった。これを実現するため、LE-9の燃焼室には、最新の製造技術により、500本もの微細な冷却溝を配置。内壁と冷却溝の間は、わずか0.7mm程度という薄さになっていた。」

          やっぱここがネックだったのかな。今回も同じ部分の問題が解決されていないのでは。

    • by Anonymous Coward

      LE-9エンジン設計時に生じた問題から得られた知見には満足しています。
      次は失敗しません。次期LE-10エンジンにご期待ください。

      • by Anonymous Coward

        タンデムミラーエンジンを作ってから出直してこいや。

  • by Anonymous Coward on 2022年01月18日 16時01分 (#4186545)

    >LE-9エンジンに採用したエキスパンダーブリードサイクルが大型化に向かない事による問題という根本的な設計ミスに起因するようなので、

    というが、

    前回の延期 [science.srad.jp]の直接要因は、

    燃焼試験でタービンにひびが見つかったことが理由とされている。
    LE-9エンジンでは2018年の燃焼試験で共振による破損が起きていたが、1号機は共振領域外で運転し、
    2号機以降で改修する方針を示していた

    というもの。
    燃料を送るポンプを駆動するタービンを持つのは、二段燃焼サイクル [wikipedia.org]もエキスパンダーブリードサイクル [wikipedia.org]も同じ。
    エキスパンダーブリードサイクルの方がタービン翼が壊れやすい要因という物があるのだろうか。

    • by Anonymous Coward on 2022年01月18日 16時49分 (#4186566)

      自己レスだけど、よく読みなおしてみたら、前回の延期の要因は2つあって [newswitch.jp]、

      打ち上げ延期の原因であるエンジンの燃焼室内の開口は、燃焼室を冷やす水素が通る冷却溝付近で14カ所見つかった。
      燃焼室内壁を高温作動条件で試験すると、設計値よりも燃焼室内壁が高温になることが分かった。

      定常時の局所的な熱の流入と、起動と停止過渡時の一時的な冷却不足が原因と推定された。
      冷却の強化や起動と停止パターンの見直し、燃焼室内壁の温度低減を試みる。
      エンジン燃焼試験で技術データを取得し効果を検証する。

      ってのもあったのね。これは

      副燃焼室を持たないエンジンは、本来、大推力化が難しい。 [tel.co.jp]
      そのため、これまで第1段の大型エンジンで採用された例はなかったが、LE-Xは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。

      という、大型化するほどたくさんの燃料を燃焼ノズル壁で熱交換させなきゃならなくて、
      そのために燃料が通る管を細く、管壁を薄く作ったら、溶けちゃいましたって話かぁ。
      うーむ、こっちの方の要因だと、これは確かに大型化に伴う問題に見える。

      親コメント
      • by Anonymous Coward

        その辺がタレコミの「大型化に向かない」ってところの一つだね。
        大型化すればするほど、燃焼室の容積に対する表面積の割合は減ってしまう。

    • by Anonymous Coward on 2022年01月18日 16時48分 (#4186565)

      単なるタービンの良くあるトラブルですね
      テストして駄目なら作り直して再テストして目論見どうりにトラブル解消されるまでは、先の話は出来ない
      それがマスコミ的には不具合の修正の目処たたずという表現になる

      親コメント
    • 有料記事なので1ページ目しか読んでないけど、エキスパンダーブリードサイクルの方はその構造上、大型化するのに軽量化が避けられなくて、そこが問題になったっぽい。

      限界設計に落とし穴、H3ロケット打ち上げ再延期の可能性は? [nikkei.com]

      この物理的な壁を乗り越えて、大推力のエキスパンダー・ブリード・サイクルエンジンを実現するには2つの方法がある。1つは燃焼室壁面からの吸熱の効率を上げる。もう1つは、ターボポンプで熱エネルギーを軸回転エネルギーに変換する効率を上げることだ。燃焼室壁面から少しでも多くの熱エネルギーを得て無駄を最小限にとどめて、ターボポンプ軸の回転エネルギーに変換する手法だ。

      「効率を上げる」と簡単に書いたが、これは燃焼室壁面の耐熱温度や厚さ、ターボポンプの振動などで限界に近い設計を行うことを意味する。つまりLE-9は、推力1471kN(約150tf)もの大型エンジンを、エキスパンダー・ブリード・サイクルで実現すると決断した段階で、「問題が出るとすれば、限界に近い設計が求められる燃焼室の冷却とターボポンプを駆動するガスの加熱回り及び、ターボポンプのタービン翼回りだ」とあらかじめ分かっていたのだ。

      親コメント
      • by Anonymous Coward

        もう何回も言われてるけど、軽量化ではなく吸熱の効率を限界まで上げるための燃焼室の薄肉化だよ

    • by Anonymous Coward

      燃料を送るポンプを駆動するタービンを持つのは、 二段燃焼サイクル [wikipedia.org]もエキスパンダーブリードサイクル [wikipedia.org]も同じ。
      エキスパンダーブリードサイクルの方がタービン翼が壊れやすい要因という物があるのだろうか。

      二段燃焼サイクルは高温

      • by Anonymous Coward

        それでは今回の話とは逆の方向の説明になってしまうと思うが。

        • by Anonymous Coward

          設計者の目論見はこうだったけど、実際に作ってみたら水素ガスのせいで脆性破壊しちゃったってオチでは?知らんけど。

        • by Anonymous Coward

          理論上は比較的簡単だけど
          十億円のものと一億円のものを比べて十倍安いと言ったところで
          手元に一億円が無ければやっぱり買えないみたいな話でしょ

          てか新規設計のターボポンプなんか必ず共振かキャビテーションで破損するし
          そういうもん

      • by Anonymous Coward

        > 燃焼ガスには水分が含まれてて

        ではなく、液酸液水を燃焼させるのだから燃焼ガスはほぼすべて水蒸気。

        > 水分が含まれててタービンを侵す。難しい。
        > 水分は含まれない。かんたん。

        水蒸気より水素分子の方が化学的活性が高いし、水素ガスには水素脆性という金属を侵す性質がある。
        エキスパンダーブリードの方が壊れにくい要因って温度と圧力の低さくらいじゃない?この2つが低いというのは影響大きいと思うけど「水分含むかどうかが違い」というのはどこから出てきた話なのか気になる。

        • by Anonymous Coward

          エキスパンダーブリードサイクルのタービンは燃焼してない水素ガスで回すので水分は含まれてないです。

          二段燃焼サイクルだと水分を含んでるのでエンジン試験するたびに水分がタービン内に残っちゃって乾かさないといけない。

          https://www.kenkai.jaxa.jp/publication/radio/contrast/pdf/radio_16.pdf [kenkai.jaxa.jp]
          「タービン駆動ガスがLE-7Aでは水を含む燃焼ガスであるのに対し、LE-Xでは
          水素ガスであるため、確認試験ごとの水分除去のためのパージ時間を短縮す
          ることが可能」

          • by 90 (35300) on 2022年01月18日 20時59分 (#4186673) 日記

            他のコメントを読んでもよく分からなかったんですが、なるほど、"エキスパンダーブリードサイクル"というのは、単にエンジンのクーリングジャケットを通って温まったクーラント液の圧力でターボポンプを回すものだから、燃焼ガスが発生するとかタービンに当たるという問題はないわけですね。そのクーラント液が液体水素だという問題はさておき。

            車のエンジンでも、不用意に高温のラジエータ液系統を開放するとクーラントが吹き出すから気を付けるようにとか言われますが、ターボチャージャーの排気側がエンジン排気の代わりにその吹き出しているクーラントで回っているようなイメージなのかな。

            親コメント
            • ・冷却に使った液体水素は熱を吸収して水素ガスになるためけっこうな圧力を持っている
              ・とはいえ副燃焼室で燃やした場合と比較すると圧力や温度は低い
              ・燃焼後の排気ガス(水蒸気)と水素ガスだと後者の方が質量が小さいため、同温同圧でも水素の方がタービンを回す力は弱い

              エンジンが大型化するとたくさんの燃料を送れるようにタービンも大きくする必要があるため「エキスパンダーブリードでは力不足じゃない?」と言われていて
              H3では「熱吸収力を高めることで燃焼しなくても必要な圧力は得られる&冷却に使うだけで燃やさずに捨てる水素の量も減らせる」としていたのが、その冷却性能を得るために微細化した配管が振動で壊れてしまうみたいですね。
              おそらく壊れないように対策すると吸熱力が落ちることになり「エキスパンダーブリードサイクルでタービンを回すのに必要な圧力が得られるのか」となってしまうため、根本的な設計見直しをしないと解決できないのかもしれません。

              --
              うじゃうじゃ
              親コメント
          • by Anonymous Coward

            それって事前テストで手を抜くために本番動作に難があるシステムを採用したってこと?
            本末転倒ですね。

            • by Anonymous Coward

              本気でそう思ってんの…?
              一つ聞いたらそれがすべて!とか思いこんじゃうタイプ?

  • by Anonymous Coward on 2022年01月18日 18時25分 (#4186613)

    好意的・楽観的に捉えれば、技術的な難しさが実証された訳であり、ライバルに対する牽制にはなっているんじゃないかなぁ。

    • by Anonymous Coward

      好意的・楽観的に捉えれば、技術的な難しさが実証された訳であり、ライバルに対する牽制にはなっているんじゃないかなぁ。

      ライ・・・バル?

      最下位のランナーがライバルを気にする必要はないと思いますよ?

      • by Anonymous Coward

        エキスパンダーブリードサイクルで大型化なんて変な事してるのは日本だけで、エンジンの選定も世界のトレンドとは大きく隔絶しちゃってるんですよねー。
        むしろここで頑張ってエキスパンダーブリードサイクルをモノにしたところで、H4では一般的な設計に戻す可能性も高いという。

        • by Anonymous Coward

          大型化を諦めて、LE-5を改良してクラスタ化と再利用出来るようにするいう方向は?
          同じエンジンを大量生産した方が信頼性が高まる上に安くなるし、ファルコン5のように
          9器中1器不具合発生しても打ち上げが成功するような仕組みも取れるでしょう。

          • by Anonymous Coward

            LE-5もいい加減古くて能力不足で、実際、H3の初期案では、LE-11を開発することになっていた
            でもLE-9との同時開発は能力、資金的に難しいから、後回しにされた
            不足した能力はLE-5の改良と2クラスタ化で補う案もあったが、結局、改良のみでLE-5B-3になった

            LE-11は推力30トン程度の予定だったけど、50トンとすれば9クラスタで450トンで、LE-9の3クラスタに並ぶ
            この路線で行くべきだったねぇ

  • by Anonymous Coward on 2022年01月19日 12時12分 (#4186918)

    スペースXのラプターもブルーオリジンのBE-4も、予定通りとは行かずに数年遅れ状態ですもんね。
    H-IIB改良するとかで延命図らないと、日本からISSへの補給船が途絶えてしまうし、H-IIAでは無理な
    H3で打ち上げ予定だったものをどうするのか…。

typodupeerror

皆さんもソースを読むときに、行と行の間を読むような気持ちで見てほしい -- あるハッカー

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