| LE-9 | |
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| 제원 | |
| 연료 | 액체수소 |
| 산화제 | 액체산소 |
| 연료공급방식 | 팽창식 블리드 사이클 |
| 추력 | 150.0 tf(1,471kN|331,000 lbf) |
| 연소실 압력 | 10.0Mpa |
| 비추력 | 426초 |
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1. 개요
일본의 신형 로켓인 H-III에 사용되는 진공추력 150톤, 비추력 426초의 액체 로켓 엔진으로 일본 우주항공연구개발기구 JAXA의 주도 하에 미쓰비시 중공업과 IHI가 개발했다.
2. 작동 방식
H-II 시리즈에 사용된 LE-7 엔진은 큰 추력과 높은 연료효율을 달성하는 것이 용이한 다단 연소 사이클이 적용되었지만, 이 방식은 배관 및 터빈 등 엔진 부품 대부분이 다른 사이클 방식보다 훨씬 더 강한 압력과 높은 온도의 환경에 노출되기 때문에 제조 난이도와 비용이 높은 것이 단점이었다.이에 차세대 로켓으로 저렴한 가격과 강력한 성능을 양립시키고자 했던 일본은 H2 시리즈의 2단 로켓으로 사용되어 온 LE-5에 적용된 바 있는 팽창식 블리드 사이클(Expander Bleed Cycle) 을 다시 적용하였다. 팽창식 블리드 사이클 방식은 그 이름에서 알 수 있듯이 팽창식 사이클(Expander Cycle) 방식의 단점을 일본이 독자적으로 변형시킨 방식으로, 이론상 최대 2000kN까지 추력을 올릴 수 있다.
로켓엔진은 연료를 산화제와 섞어 고압으로 분사하여 높은 추력을 얻는데, 이때 연소실에 투입되는 연료가 연소실에서 발생하는 고압에 의해 역류하는 것을 방지하기 위하여 터빈 펌프를 가동한다. 이 터빈 펌프를 가동하는 방식에 따라서 위에 언급된 사이클이 구분된다.
팽창식 사이클 엔진은 연료 일부를 연소실과 노즐 겉면의 도관을 통해 흐르도록 하여 냉각제로서의 역할을 하게 함과 동시에 연료를 고온의 가스로 팽창시키고, 이 팽창된 가스를 터빈 펌프를 가동하는데 사용한 후, 다시 연소실에 집어넣어 연소하도록 한다. 이 방식의 경우 터빈 펌프를 가동한 연료가 어쨌든 다시 고압의 연소실에 투입되어야 하므로 연소실의 압력이 일정 이상 높아지면 역시 역류의 위험이 발생할 수 있다. 따라서 팽창식 사이클 엔진은 약 300kN의 추력이 한계라고 여겨진다.
하지만 팽창식 블리드 사이클 엔진의 경우, 터빈 펌프를 가동하기 전까지의 연료의 흐름은 팽창식 사이클 엔진과 똑같지만, 터빈 펌프를 가동한 연료를 다시 연소실에 투입하지 않고 그대로 대기 중에 배출(Bleed)한다. 따라서 연소실의 압력이 더 높아져도 터빈 펌프를 가동할 수 있게 된다. 터빈 펌프를 가동시킨 연료가 연소실의 압력을 견디고 다시 들어갈 필요가 없어지기 때문이다. 그렇기 때문에 이 방식은 다단 연소 사이클보다 간단한 구조를 통해 팽창식 사이클보다 높은 추력을 얻을 수 있으며, 다단 연소 사이클 엔진보다 기술적 난이도가 낮고, 신뢰성이 향상된다.
다만 이 방식으로는 터빈 펌프를 가동시킨 연료를 재사용하지 않고 그대로 대기에 버리기 때문에, 터빈 펌프를 가동시키는 연료를 재사용하는 팽창식 사이클 엔진이나 다단 연소 사이클 엔진에 비하여 연료 효율이 떨어진다는 단점이 있다.
또한 별도의 전용 연소실에서 태운 고압의 가스를 이용하여 터빈 펌프를 가동하는 다단 연소 사이클과는 달리 연료를 연소실과 노즐 겉면에 흐르게 하는 정도로는 터빈 펌프를 가동할 수 있는 압력에 한계가 있으므로, 추력의 한계가 다단 연소 사이클보다는 낮다.
하지만 어차피 LE-9가 목표한 엔진의 추력은 팽창식 블리드 사이클로 충분히 달성할 수 있는 수준이고, LE-9가 목표한 것은 엔진의 신뢰성과 생산성을 높이는 것이므로, 일부 단점과 한계를 감수하고 적절한 방식을 선택한 것이다.
현재로서는 팽창식 블리드 사이클 방식은 일본만이 사용하며, LE-9은 주 엔진으로서는 최초로 팽창식 블리드 사이클을 적용한 로켓 엔진이다.
3. 개발
2006년부터 개발이 시작되었다. 일본의 여러 국가 연구소들도 개발에 참여해 슈퍼 컴퓨터를 응용한 수치 제어 시뮬레이션, 신소재 등 최신 기술을 광범위하게 도입, 고추력 팽창식 블리드 사이클 엔진의 성립성 및 타당성을 검증한 이후 2016년에 IHI가 터보펌프, 미쓰비시가 엔진 시스템을 맡아 LE-X라고 명명된 진공추력 148톤, 비추력 430초의 기술 실증 엔진이 제작되었다.실용 엔진인 LE-9은 이 LE-X를 바탕으로 성능이 조정되어 비추력이 약간 낮추어지면서 추력은 2톤 증가된 것이다.
향후에는 연료를 액화 메탄으로 전환하는 방안이 추진되고 있다. #
2020년, 지상 시험 종료 후 검사 중 엔진 연소실과 터보 펌프 터빈에 균열이 발견되면서 전면 재설계하기로 결정돼 H3 로켓의 첫 발사도 1년 연기되었다. # 그러나 재설계 후 시행된 연소 시험에서 균열은 해결되었으나 터빈 진동 문제가 새롭게 생기면서 재차 연기되었다. # 2022년 8월, JAXA는 터빈 진동을 억제하는 설계를 적용한 후 수차례의 새로운 연소 시험 결과 문제가 해결되었다고 밝혔다. #