共通底部タンク：ロケットの重量を軽減し、効率を高めて性能を向上

7月26日、我が国初の直径3.35メートルの水素酸素共用底タンクの底部が一連の静的試験評価に合格し、次世代中型運搬ロケットの汎用水素酸素最終段に使用される予定である。ロケット共通底タンクとは何ですか？この構造を貯蔵タンクに使用する利点は何ですか?研究者が克服しなければならない技術的な課題は何ですか?

スタイルは様々で、どれも絶妙です

共通底部タンクは国内外の打ち上げロケットに多く使用されています。名前が示すように、2 つのタンクに共通底と呼ばれる共通の底があることを意味します。全体的には半球形または半楕円形の構造です。共通の底部構造により、上部と下部のロケットタンクを 1 つに接続できます。

共通底タンクは、共通底の形状によって凸型、凹型、特殊形状構造に分けられます。

このうち、凸型は共通して底部が上向きにアーチ状になっているのに対し、凹型はその逆になっています。凸型と凹型はどちらも、現在一般的な底構造の一般的な形態です。共通底部アーチの具体的な方向は、主に運転中の上部タンクと下部タンクの圧力によって決まります。一般的に言えば、共通底部は圧力の低いタンクに向かってアーチ型になっている必要があります。

以前は凸型の共通底が使用されていました。米国初の有人宇宙船を打ち上げたアトラスDロケット、日本の中型ロケットN-1、東方紅1号衛星の打ち上げに成功した我が国初のロケット長征1号、そして長征3Aシリーズ、長征6号、長征8号などのロケットはすべてその「顧客」です。

凹状の共通底もこの点では劣っていません。そのユーザーには、近年非常に人気を集めている再使用型ロケット「ファルコン9」、全自動打ち上げ技術を備えたソ連初の3段式ロケット「トルネード3」、かつて国際宇宙打ち上げ市場の「リーダー」だったプロトンロケット、退役したばかりのESAのアリアネ5ロケット、インドのPSLVロケットなどがある。

特殊な形状の構造を持つ平底タンクとしては、比較的珍しいものです。その適用例となるのはアリアネ5ロケットである。液体水素と液体酸素を動力源とする第2段ロケットは、当初は液体酸素タンクと液体水素タンクを独立設計し、液体酸素タンクを液体水素タンクの下に吊り下げる計画だった。その後、計画は改良され、特殊な形状の構造と異なる直径を持つ共通底タンク設計が採用されました。

特大口径共通底タンクを輸送中

一般的な底タンクは、推進剤の種類の観点から、常温用と低温用の 2 つのカテゴリに分けられます。構造上の観点から、一般的な底部貯蔵タンクは単層と二重層に分けられます。

ロケットの共通底部構造を選択するための固定ルールはありません。これは一般的に推進剤の種類に関係します。常温推進剤は単層共通底タンクを使用できますが、低温推進剤は、2 つのタンク内の推進剤間の温度差により、二層真空またはハニカム、フォーム、またはその他のサンドイッチ型共通底タンクに適しています。

例えば、トルネード3号ロケットの第2段では四酸化窒素/ジメチルヒドラジン推進剤が使用され、日本のN-1ロケットの第2段では四酸化窒素/ヒドラジン-50推進剤が使用され、どちらも単層の共通底部タンクを使用しています。米国のサターンV型重ロケットの第2段と第3段は、どちらも液体酸素と液体水素の推進剤を使用するため、二重層の共通底部タンクが使用されています。

設計と製造は難しい

液体ロケットのタンクには酸化剤と燃料が入っており、ガソリンが空気中の酸素と燃焼して車を推進するのと同じように、エンジンに供給されて推力を生み出します。通常、酸化剤と燃料は、分割タンクと呼ばれる 2 つの独立して設計されたタンクに保管できます。対照的に、共通底タンクでは両方のタンクの性能を考慮する必要があり、設計と製造の両方で一定の技術的な困難が伴います。

共通底は共通底貯蔵タンクの設計の鍵となります。断熱性と耐荷重性の両方を実現できなければならず、これが設計における最大の課題であると言えます。

ロケットの推進剤は常温推進剤、低温推進剤などに分けられ、ロケットが飛行しているときは、対応するエンジン、パイプラインなどが適切な温度で正常に動作する必要があります。特に低温推進剤共通底タンクの場合、2 つのタンク内の推進剤の間に温度差があり、共通底部でこの温度差を「隔離」する必要があります。

共通底部は、断熱性に加え、温度差による温度負荷、上部のタンク内の推進剤の重量、タンク内のブースト圧力、ロケットの推力と自身の重量による負荷などの複合的な影響に耐える必要があります。これらすべてにおいて、ロケット設計者は、共通底部タンクが内部および外部の圧力負荷と温度負荷に耐え、構造強度と安定性の要件を満たすことができるように、適切な構造パラメータを決定する必要があります。

さらに、一般的な底部タンクの生産と製造もより困難です。共通底部は破裂しません。推進剤が漏れると爆発の危険があります。したがって、共通底の加工と製造には、溶接品質、材料の選択、溶接制御に対する非常に高い要件があります。溶接工程では構造が非常に変形しやすいため、箱の底部の局所的な変形が大きくなりすぎないようにする必要があります。

特に低温共通底貯蔵タンクの場合、共通底を二重構造にして断熱機能を持たせる必要があります。断熱構造が真空二重構造を採用する場合、真空引きする必要があり、製造や試験の面で非常に困難です。ハニカムやフォームなどのサンドイッチ複合材料を使用する場合、複合材料の品質は共通底部構造の支持力に直接影響します。複合繊維は気泡や剥離などの欠陥が発生しやすいことを考慮すると、研究者は複合材料の準備、成形、接着などの技術的な困難を克服する必要があります。

特に、大口径の共通底タンクでは、生産および製造能力に対する要求が高く、製品が設計パラメータに適合していることを保証するために、より大型の加工設備と成熟した加工技術が必要となり、それによって精密な組み立てや荷重伝達などの問題を解決します。

軽量化と短縮化による高性能

共通底部タンクには独自の利点があり、少なくとも 3 つの点で打ち上げロケットの性能向上に大きく役立ちます。

まず、共通底部貯蔵タンクの使用により、貯蔵タンクの底部の「自重」を節約できます。

第二に、タンクが非共通底設計を採用する場合、各タンクは内部圧力に耐える必要があります。共通底部を実現した後、上部タンクと下部タンク間の圧力差を利用してそれぞれの内部圧力負荷を相殺し、タンク底部の質量をさらに低減することができます。

第三に、共通底部タンクにより、タンク間セクションの設計が不要になり、構造のこの部分の質量が節約されます。

共通底部タンクによりロケットの構造効率が向上し、ロケットの重量が軽減され、離陸時にロケットがより多くのペイロードを運ぶことが可能になり、積載量が向上することは容易に理解できます。同時に、ロケットの長さが短縮され、アスペクト比が最適化され、「弾力性」が低下し、ロケットの飛行がより安定します。

近年、海外で新たに開発された「バルカン・セントール」や「スターシップ」などの打ち上げロケットは、主に凹型内部輸送共通底タンクを採用していることは注目に値する。推進剤供給システムのレイアウトがよりシンプルになったことで、使用できない推進剤の量を減らし、ロケットの重量をさらに軽減しながら、より多くのペイロードを宇宙に輸送できるようになりました。また、デリバリーパイプが共通底部タンク内に配置されているため、ロケット外面の構造的突出が低減され、ロケットの空力形状が最適化されます。

つまり、共通底部タンクは 2 つのタンクを 1 つに統合し、ロケットの構造が軽くなり、飛行がより安定し、能力が強くなり、性能が向上します。設計、製造、技術レベルの向上に伴い、共通底部タンクはロケット設計においてますます広く使用されるようになるでしょう。 「小さな」変更は多くの利点をもたらし、共通底部タンクはロケットの性能を向上させる「良い助っ人」となる価値があります。 （著者：荘方芳、画像提供：中国ロケット技術研究院、レビュー専門家：中国航天科学技術集団科学技術委員会副委員長、江凡）