月面探査の威力を解読！嫦娥6号探査ミッションではどのエンジンが使用されましたか?

2024年7月12日、中国宇宙推進技術研究院の研究員である呉宝源氏は、中国星空科学フォーラム「星空を探り、未来に触れる」の陝西特別イベントで「嫦娥6号のパワーを解読する」と題する講演を行った。

嫦娥6号探査ミッションは、人類が月の裏側でサンプルを採取した初めての探査ミッションである。これは我が国の宇宙計画の中で最も高度に統合されたミッションであり、世界の宇宙産業における重要な節目です。このミッションでは107台のエンジンが使用され、そのすべてが液体ロケットエンジンでした。

一般的に言えば、輸送車両には比較的少数のエンジンが搭載されています。たとえば、自動車にはエンジンが 1 つありますが、飛行機には通常 4 つ以下のエンジンしかありません。では、なぜ嫦娥6号ミッションでは107基のエンジンが使用されたのでしょうか?

まず、ロケットエンジンの推進原理を見てみましょう。

ロケットエンジンはどのようにしてロケットを推進するのでしょうか?

エンジンによって駆動原理は大きく異なります。

たとえば、車はエンジンを使ってタイヤを動かし、地面に作用して反力を発生させることで動きます。その特徴は、第三の物体に作用することです。一方、航空機のターボジェットエンジンは、ガスの噴出によって反力を発生させることで推力を得ており、ガスの噴出によって反力を発生させるという特徴がある。この点で、ロケットは飛行機に近いと言えます。

作用と反作用の観点から見ると、歩くとき、私たちは足を使って地面を押し、力を得ます。椅子から立ち上がるとき、私たちは椅子の肘掛けを手で支えて押す力を得ます。飛行機が旋回するとき、エルロン、エレベーター、ラダーを操作して高速の空気に作用し、対応する力を得ます。

これらすべての例では、地面、椅子の肘掛け、空気などの第 3 の物体があり、移動体は外界に作用することで反力を得ます。宇宙では、映画の宇宙飛行士と同じように、第三の物体が存在しないため、力を加える力がなく、宇宙服の腕を伸ばすことで反動を推進力として得るしか方法がありません。

一般的に、ジェット推力の発生過程は次のように理解できます。外界に物体が存在しない場合は、そのような物体を作り出してそれに作用させることで推進力を得ます。この投げ出された物体は「作動流体」と呼ばれます。現在、すべての推進は「作動流体」によって行われていますが、「作動流体」なしでの推進は常に SF のテーマでした。

ロケットエンジンの作動流体は、噴出される高温の燃焼ガスです。そのエネルギーは燃料と酸化剤に含まれる化学エネルギーから得られ、燃料と酸化剤はエンジンの推進剤です。液体ロケットエンジンの排気速度は、通常 3000 ～ 4500 m/s です。排気速度が速いほど、性能は高くなります。

このエネルギーはどのようにして徐々に解放され、タスクを完了させるのでしょうか?

エンジンエネルギー使用の観点から見ると、嫦娥6号ミッションには主に6つの段階があります。

第一段階：ロケットは地球・月間の遷移軌道に打ち上げられ、飛行時間は2210秒で、エネルギーの約99％が放出されます。

第2段階：地球から月への移行と月付近での減速、5日間の飛行で残りの1％のうち約30％を放出する。

第3段階：月面に着陸し、900秒間飛行し、残りの約40％を放出する。

第4段階：月面から上昇し、360秒間飛行し、残りの約10％を放出します。

第 5 段階: 月から地球への移動、5 日間飛行し、残りの約 20% を放出します。

第 6 段階: 再突入と水の回収 (リターナー)、消費されるエネルギーはごくわずかです。

エネルギー使用の観点から見ると、嫦娥6号ミッションで最も驚くべきことは、エネルギーの99%が探査機を地球・月遷移軌道に送るために使用されたことだ。この観点からすると、地球の重力から逃れて宇宙に出るというのは極めて困難です。さらに、エネルギー放出の99%は37分以内に完了し、液体ロケットエンジンの巨大な出力密度が十分に実証されています。

出力密度は、単位時間あたり単位質量（または体積）あたりに放出されるエネルギーです。長征5号の打ち上げ時の出力は、三峡ダム3基がフル稼働したときの出力に相当し、120トンの液化酸素灯油エンジン1基の出力は葛州壩水力発電所や台山原子力発電所の出力を上回ると推定されている。

嫦娥6号ミッションで最も特徴的な3つのエンジン

このミッションで使用された最も特徴的な 3 つのエンジンを紹介します。

そのうち、120トンの液化酸素灯油エンジンは、中国で運用されているエンジンの中で最大推力を誇る。推進剤として液体酸素と灯油を使用し、高密度の比推力、優れた貯蔵性能、環境に優しい環境保護などの利点があります。これは我が国の新世代ロケットシリーズの中核となるものです。単一エンジンの推進剤流量は毎秒400kgを超え、これは毎秒140リットルの燃料消費に相当し、一般的なファミリーカーに3回燃料を補給するのに十分な量です。長征5号のブースター段にはこのエンジンが8基搭載されており、960トンの推力を発揮します。このエンジンの開発に全プロセスを通じて参加できたことを光栄に思います。

2番目のタイプである7500N可変推力エンジンは、嫦娥プロジェクトの功労エンジンと言える。 7500Nから1500Nまでの連続的な推力変化を実現できます。この能力は複雑な宇宙ミッションを遂行する上で極めて重要であり、探査機が月面に着陸するための鍵でもあります。このエンジンは、中国の航空宇宙技術分野における独自の革新能力を代表し、国内の可変推力エンジン分野の空白を埋め、その総合的な性能は世界をリードするレベルに達しており、我が国の深宇宙探査ミッションに強固な技術的保証を提供している。嫦娥6号探査ミッションでは、着陸機と上昇機の組み合わせが月面に軟着陸できるように、7500Nの可変推力エンジンが着陸機に搭載されました。合計900秒間作動し、約2トンの推進剤を消費しました。

3番目のタイプである3000Nエンジンは、高性能、高信頼性、軽量、コンパクトという特徴を備えています。複雑な宇宙環境でも複数回の起動が可能で、地球と月の間、月と地球の間の大規模な移動や月面からの離陸・打ち上げを護衛することができます。嫦娥6号の探査ミッションでは、探査機に3000Nのエンジンが搭載されました。これは、ミッションサイクル全体を通じて、軌道変更や月付近および地球付近でのブレーキングに使用されました。複数回始動され、約2トンの推進剤を消費しました。もう一つのエンジンは月面からの離陸のために上昇機に取り付けられました。合計360秒間作動し、約400キログラムの推進剤を消費しました。

さらに、嫦娥6号ミッションでは、比較的多数の姿勢制御エンジンも搭載され、適用されました。長征5号の第2段ロケットには300Nエンジン4基、150Nエンジン4基、60Nエンジン2基が使用されているが、嫦娥6号探査機の4つのセクション（周回機、帰還機、着陸機、上昇機）にも、推力150N、120N、25N、10Nの姿勢制御エンジンが搭載されている。

嫦娥6号探査ミッションではなぜ何百ものエンジンが使用されるのでしょうか?

これで、当初の疑問に答えることができます。なぜ嫦娥6号探査ミッションでは何百ものエンジンが使用されるのでしょうか?

これは2つの側面から理解できます。

一方、ロケットは3段に分かれており、嫦娥の組立体は4つの部分に分かれています。エンジンが持ち上げなければならない重量は、ほぼ 1000 倍変化します。各部には独立したエンジンシステムが必要であり、推力要件や使用方法が大きく異なるため、エンジンの種類は多岐にわたります。

一方、異なる飛行セグメントでの姿勢制御を確実に行うには、異なる方向のエンジンが必要です。これは、飛行中の航空機の姿勢制御を参照すると理解できます。航空機の重量と速度の変化範囲は小さいです。飛行姿勢制御を実現するために、エンジンのほかに、エルロン、フラップ、前縁スラット、スポイラーなどのさまざまな空力構造部品の組み合わせが使用されます。速度制御を提供するメインエンジンに加えて、宇宙船は飛行姿勢制御を実現するためにエンジンの組み合わせも必要とします。たとえば、オービターには 50N エンジンが 8 基、25N エンジンが 18 基、10N エンジンが 12 基、合計 38 基のエンジンが搭載されています。昇降機には 120N エンジンが 8 基、10N エンジンが 12 基、合計 20 基のエンジンが搭載されています。

航空宇宙エンジンは多様で変化しやすい運命にあると言えます。

著者: 呉宝源、航空宇宙推進技術研究所研究員