見てください、このロケットは普通じゃないんです!

制作：中国科学普及協会

著者: ハンム・ディアオメン (ポピュラーサイエンスクリエイター)

プロデューサー: 中国科学博覧会

わが国のような宇宙大国では、毎年多くのロケットが成功裏に打ち上げられており、これはわが国の宇宙分野では「常識」となっている。

しかし、2023年7月12日に「すざく2号」「やお2号」ロケットの打ち上げが成功したことで、白熱した議論が巻き起こっている。これはなぜでしょうか?

わが国の酒泉衛星発射センターから「すざく2号」「堯2号」ロケットが打ち上げられた。

（写真提供：新華社通信）

液体酸素とメタンロケット：宇宙探査における各国の新たな試み

これは、目的の軌道にペイロードを送り込むことに成功した世界初の液体酸素メタンロケットであることが判明しました。

液体酸素メタンロケットを開発しているのは中国だけではない。他の主要国でも積極的に開発が進められています。例えば、今年上半期には、米国の2つの企業が、Terran-1とStarshipという2つの液体酸素とメタンロケットを打ち上げました。

テラン1液体酸素メタン打ち上げロケット

（写真提供：光明オンライン）

しかし、米国による両ロケットの打ち上げは失敗に終わった。

この時点で、次のような疑問が湧くかもしれません。液体酸素ケロシンと液体酸素液体水素ロケットエンジンはすでに存在しているのに、なぜ中国と米国の両国が今、液体酸素メタンロケットエンジンの開発を急いでいるのでしょうか。

液体酸素メタンエンジンがそんなに優れているのなら、なぜ最初から開発されなかったのでしょうか?あるいは、数十年前、液体酸素や液体水素のロケットエンジンが開発される前に、なぜ最初に液体酸素やメタンエンジンを開発しなかったのでしょうか?

液体酸素灯油は液体酸素や液体水素に比べてどのような利点がありますか?

第二次世界大戦中、ドイツのV-2ロケットは推進剤として液体酸素エタノールを使用していました。エタノールは一般にアルコールと呼ばれています。

燃料としては、水を含んだアルコールは明らかに性能がよくありません。第二次世界大戦後、各国は新たな液体推進剤の開発を始めました。

こうして、液体酸素と灯油、液体酸素と液体水素という2つのルートが誕生し、これまでどちらのルートも成功を収めてきました。

精製灯油「RP-1」ロケット燃料

(画像提供: Maxhaot)

当初メタンではなく灯油が選ばれたのは、当時すでに灯油が非常に一般的で大量に使用されていたためです。世界中で天然ガスが大規模に利用されるようになったのはここ数十年のことである。

コスト面では、メタンよりも灯油が必然的に選ばれます。たとえ歴史をもう一度やり直すことができたとしても、科学者はより高度な技術を必要とし、入手に費用がかかる液体酸素やメタンよりも灯油を選ぶだろう。

そのため、第二次世界大戦の終結から現在に至るまで、液体酸素-灯油ルートと液体酸素-液体水素ルートの両方が十分に開発されてきました。 2 つの適切なルートを探索した後は、他のルートを探す必要はありません。

液体酸素とメタン：ロケットの回収を容易にする

液体酸素灯油は液体酸素や液体水素に比べて非常に多くの利点があるのに、なぜ人々はまだ液体酸素メタンルートを追求しているのでしょうか?

ロケットエンジンに対する人間の要求が大幅に増加したためです。

以前は、科学者はロケットエンジンが一度だけ使用できることを確認するだけでよかった。使用が成功した後は、ロケットエンジンに何が起こっても問題ではありませんでした。いずれにせよ、地面か海に落ちてしまうだけでしょう。

しかし現在、人類はロケットエンジンが10回以上、あるいは100回も再利用できることを望んでいます。現時点では、液体酸素-灯油エンジンはやや不適切です。灯油が燃焼すると、ロケットエンジン内部に炭素堆積物やコークス化が発生し、再利用に大きな困難をもたらすからです。

現在、液体酸素ケロシンロケットは、回収後にエンジンを徹底的に洗浄してからでないと、使用を継続できない。

車のエンジンを使って炭素の堆積物を実演します。もちろん、ロケットエンジン内の炭素堆積物はそれほど深刻なものではありません。

（写真提供：KINGKAR）

液体酸素とメタンは異なります。これらは非常に揮発性の高い燃料です。使用後、この燃料がロケットエンジン内に残留することは極めて稀であり、再使用型ロケットの物流メンテナンス作業負荷が大幅に軽減されます。

ロケットエンジンが作動しているとき、ガスの最高温度は 3300 度を超えることがあり、これはほとんどの金属材料の融点を超えます。

高温によるエンジンの損傷を避けるために、ロケットエンジンを冷却する必要があります。冷却方法は様々ありますが、現在主流となっているのは燃料を使って冷却する「再生冷却」という方法です。

液体酸素の温度はマイナス183度程度と超低温なので、冷却剤として最適だそうです。しかし、酸素は活性が高いため、ロケットエンジンを構成する金属やその他の材料と容易に反応します。

そのため、一般的には液体酸素を冷却剤として使用するのではなく、燃料を冷却剤として使用します。具体的には、まず燃料の一部がエンジンノズルの周りを往復し、必然的に大量の熱を奪い、ロケットエンジンを冷却します。

「天鵝」80トン液体酸素メタンエンジン

（写真提供：人民日報オンライン）

常温の灯油や液体メタンと比較すると、後者は温度が約マイナス162度で、冷却効果が即座に3倍以上になるため、明らかに優れています。

つまり、ロケットを再利用できるようにするためには、最高効率で冷却する必要があり、冷却という点では、液体酸素やメタンの方が液体酸素や灯油よりもはるかに優れているのです。

液体酸素と液体水素：なぜ私を選んではいけないのですか?

上記の分析により、液体酸素と灯油は炭素の堆積とコークス化を起こしやすいが、液体酸素とメタンはそうではないことがわかります。しかし、再び疑問が生じます。液体酸素と液体水素は炭素堆積物やコークスを形成しないので、なぜ液体酸素と液体水素を使用しないのでしょうか?さらに、再生冷却時には液体水素の温度が低いので、液体メタンよりも冷却効果が高くなるのではないでしょうか？

はい、上記の説明はすべてもっともですが、液体水素には実際には克服するのが難しい問題が数多くあります。

問題の 1 つは、液体水素の密度は液体酸素やメタンよりもはるかに低いため、体積がはるかに大きくなることです。もう一つの問題は、液体水素の温度がマイナス252.8度と低すぎることです。このような低温を扱うのは非常に困難であり、したがって非常にコストがかかります。

スペースシャトルの下にある大きな茶色の箱は外部タンクと呼ばれます。大部分は液体水素です。

(画像提供: NASA)

それだけでなく、液体酸素の温度は摂氏マイナス183度程度であるのに対し、液体水素の温度は摂氏マイナス252.8度であり、その温度差は約70度もあります。したがって、ロケット上の液体酸素と液体水素を貯蔵する 2 つの箱は十分に隔離されている必要があります。そうでないと、液体水素が液体酸素を固体に凍結する可能性があります。

液体酸素と灯油を使用する場合は、それらも分離する必要があります。そうしないと、液体酸素が灯油を固体に凍結してしまいます。

この時点で、液体酸素とメタンが優れていることが分かります。液体酸素とメタンの温度はほぼ同じなので、一方が他方を固体に凍結させる心配はありません。

つまり、もともとは液体酸素用と灯油用の 2 つの別々の箱がありました。しかし今では、大きな箱の中に、真ん中に追加の仕切りを設けて、片側に液体酸素を、もう一方に液体メタンを充填するだけで済みます。この構造を「共通底部貯留タンク」と呼びます。

共通底タンクはタンクの重量を効果的に軽減し、タンクの長さを短縮し、それによってロケットの重量を軽減し、積載量を向上させることができることは間違いありません。

この時点で謎はすべて明らかになります。液体酸素と灯油、液体酸素と液体水素と比較すると、液体酸素とメタンには多くの利点があります。各国でロケットに対する要求が高まるにつれ、液体酸素メタンエンジンの開発は航空宇宙研究の分野で徐々に大きな焦点となってきました。