2018年5月16日水曜日

H-2, H-2A ロケットのロール制御用補助エンジン, バーニアエンジン, H-2 rocket vernier engine

H-2, H-2A ロケットのロール制御用補助エンジン, バーニアエンジン, H-2 rocket vernier engine




Update:2020.09.15

English Version



JAXA (NASDA)が公開している資料を見ると、H-2やH-2Aロケットの解説項目に「補助エンジン」という項目がある。それが何処に位置するか、ようやく分かったので記事を書きます。



 　 　 　







1.　長年のH-2ロケットの補助エンジン探し


JAXA (NASDA)が公開している資料を見ると、H-2やH-2Aロケットの解説項目に「補助エンジン」という項目がある。

NASDAがH-IIの前に打ち上げた、N-I, N-II, H-I ロケットは、第1段目は、Deltaロケット系列であり、メインエンジンのRocketdyne社製 MB-3に加えて、ロールと姿勢制御用のバーニアエンジン（Rocketdyne社製 LR101×2基）が搭載されている事を知っていた。

例えメインエンジンをジンバル出来たとしても、1基だけでロール制御は出来ない。従って、必然的にロール制御用のバーニアエンジンが存在するはずで、資料にたまに記載されている「補助エンジン」がそれに当たると考えていた。

このため、実機のH-2ロケットは、種子島宇宙センターや筑波宇宙センターに展示されているが、それらを見るたびに、バーニアエンジンは何処かと探したものだ。米国のAtlasロケットであれば、1段目半ば。Deltaロケットであれば、ロケット下部メインエンジン横の根元に付いている。そういう訳で、その辺りを注視したがついぞ発見できなかった。






種子島宇宙センターで撮影したH-2ロケットのコネクタ
(筆者撮影, 2017年 ©Orbit seals)



種子島宇宙センターで、当初上記のコネクタを見つけた時、「バーニアエンジン接続部か？」と思ったのが、どうやらSRBの荷重を受ける？部分の様である。

結論から言うと、実機展示のH-2ロケットには、補助エンジンが付属されて展示されていない。打上げの最終工程で取り付けられる部品だからである。





2.　補助エンジンの詳細


実機から見つけれないなら、資料から探すしかない。まず、補助エンジンの記載と位置は、以下の文献に記されている。ここからロケット下部のエンジンセクション外部表面に存在する様である。


 

H-2Aロケット 主要諸元と補助エンジンの位置解説



またこれらの資料から、第1段目に搭載され、ロール制御を司るエンジンであることは間違いない。SRB-Aに推力偏向ノズル(TVC)が搭載されて2基でロール制御出来るが、ブースタ分離後は使用出来ないため、本体側に必須である。

なお、H-2Bは、本体側にLE-7Bを2基搭載しているので、ジンバルでロール制御可能と見られる。





3.　遂に発見、補助エンジン


調査を続けてると、JAXAデジタルアーカイブに以下の画像を発見した。これが補助エンジンである。また、風洞研究会の議事集等から、情報を得ることが出来た。






補助エンジン取付けの様子と補助エンジン部拡大図



H-2A 2号機のトラス構造による補助エンジンの延長





NALで実施された風洞試験模型の概要図




4.　補助エンジンに関するまとめ


画像及びその他の資料から、補助エンジンについて、次の事が分かった。

  1. H-2, H-2Aロケット機体のロール軸姿勢制御用として使用、いわゆるバーニアエンジン
  2. LE-7からタップオフしてきた低温燃焼ガスに水素ガスを混合してノズルから噴射する構造
  3. 大型ロケット組立塔の中で組みつけられる後付け式小型のもの
  4. 通常形態の場合は機体表面に付属、本体に直付け
  5. H-2Aでは、SSBが付く際は、トラス構造で延長している（上記写真は特殊事例）
  6. カプセル状の風防が上下についている
  7. H-2Aには2基搭載。噴射ノズルは2個/基。ガスラインも2本/基
  8. H-2A 2号機でSSBを搭載する際は、トラス構造で延長した。物理干渉を避けるため1.3m延長。
  9. H-2の補助エンジン資料は写真のみで確認。片一方に2個×2で4つ。反対側と含めて合計8つのノズルが付いてる模様



References
[1] H-IIA ロケット, http://www.jaxa.jp/projects/pr/model/files/p_h2a.pdf
[2] H-IIA ロケット６号機打上げ失敗の原因究明及び今後の対策について
     http://www8.cao.go.jp/cstp/tyousakai/cosmo/haihu23/siryo23-1-2.pdf
[3] JAXAデジタルアーカイブス, P-001-11574～P-001-11576, http://jda.jaxa.jp/
[4] Ｈ-IIロケット８号機打上げ失敗の原因究明及び今後の対策について, 平成12年5月
   http://www.mext.go.jp/component/b_menu/shingi/giji/__icsFiles/afieldfile/2013/06/10/1335987_005_1.pdf
[5] H-2A補助エンジントラス設計検証と遷音速風洞実験, 第67回 風洞研究会議論文集, 神田淳他, 2004



 　 　 　




If you look at the documents released by JAXA (NASDA), there is a section called "Auxiliary Engines" in the description section of the H-2 and H-2A rockets. I finally figured out where it is located and will write an article about it.



 　 　 　



1.　Longtime Search for H-2 Rocket Vernier Engine


If you look at the data published by JAXA (NASDA), there is a section called "Auxiliary Engine" in the description of H-2 and H-2A rockets.

I knew that the first stage of the N-I, N-II, and H-I rockets launched by NASDA before the H-II were of the Delta rocket family, with two Rocketdyne MB-3 main engines and two Rocketdyne LR101 vernier engines for roll and attitude control in addition to the main engine, Rocketdyne MB-3.

Even if the main engine could be gimbaled, it would not be able to control roll with just one engine. Therefore, it was thought that there should be a vernier engine for roll control, and the "auxiliary engine" sometimes described in the documents would be it.

Therefore, the actual H-2 rockets are displayed at the Tanegashima Space Center and Tsukuba Space Center, and whenever I saw them, I would look for the vernier engine. In the case of American Atlas rocket, it is in the middle of the first stage, and in the case of Delta rocket, it is at the base of the rocket's lower main engine. Therefore, I looked for it, but could not find it at all.







H-2 rocket connector at the Tanegashima Space Center
(Photo by the author, 2017. ©Orbit seals)




When I first found the above connector at the Tanegashima Space Center, I thought, "Is it the vernier engine connection? I was wondering if it would take a load of SRBs? It seems to be a part.

To conclude, the auxiliary engine is not displayed in the H-2 rocket of the actual display, because it is a part installed in the final launch process. It is because it is a part installed in the final process of launch.






2.　Auxiliary Engine Details


If you can't find it from the actual machine, you'll have to look for it in the documents. First of all, the description and location of the auxiliary engines are described in the following documents. From here it seems to be on the outer surface of the engine section under the rocket.



 

H-2A Launch Vehicle - Major Characteristics and Location of the Auxiliary Engine



SRB-A is equipped with two thrust vector deflector nozzles (TVC) and can be controlled by two units, but they cannot be used after the booster is separated, so they are required on the main body.

The H-2B is equipped with two LE-7Bs on the main body side, so it is believed that roll control is possible with gimbals.





3.　Finally found the auxiliary engine


In my research, I found the following images in the JAXA digital archive. This is the auxiliary engine. Also, I was able to obtain information from the proceedings of the wind tunnel research group and other sources.






Installation of the auxiliary engine and enlarged view of the auxiliary engine



Extension of the auxiliary engine by the truss structure of H-2A Unit 2





Diagram of the wind tunnel test model conducted at NAL




4.　Summary of Auxiliary Engines


From the images and other materials, we learned the following about the auxiliary engines

  1. Used for roll-axis attitude control of H-2 and H-2A rockets, so-called "vernier" engines.
  2. A structure that injects hydrogen gas mixed with low-temperature combustion gas tapped off from LE-7 through a nozzle.
  3. A small, retrofit type that can be assembled in a large rocket assembly tower.
  4. In the case of normal form is attached to the surface of the aircraft, directly attached to the body.
  5. In H-2A, when SSBs are attached, they are extended with a truss structure (the photo above is a special case).
  6. The capsule-shaped windshield is attached to the top and bottom.
  7. The H-2A is equipped with two units. There are two injection nozzles per unit. Two gas lines per unit.
  8. When carrying the SSB on H-2A 2, it was extended with a truss structure. It was extended by 1.3m to avoid physical interference.
  9. The H-2 auxiliary engine documentation is confirmed by photos only. There are four of them, two by two on one side. Looks like there are a total of 8 nozzles including the other side.


References
[1] H-IIA ロケット, http://www.jaxa.jp/projects/pr/model/files/p_h2a.pdf
[2] H-IIA ロケット６号機打上げ失敗の原因究明及び今後の対策について
     http://www8.cao.go.jp/cstp/tyousakai/cosmo/haihu23/siryo23-1-2.pdf
[3] JAXAデジタルアーカイブス, P-001-11574～P-001-11576, http://jda.jaxa.jp/
[4] Ｈ-IIロケット８号機打上げ失敗の原因究明及び今後の対策について, 平成12年5月
   http://www.mext.go.jp/component/b_menu/shingi/giji/__icsFiles/afieldfile/2013/06/10/1335987_005_1.pdf
[5] H-2A補助エンジントラス設計検証と遷音速風洞実験, 第67回 風洞研究会議論文集, 神田淳他, 2004



 　 　 　

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