夜明け！世界初の液体酸素メタンロケットの打ち上げ成功

7月12日午前9時頃、中国の民間航空宇宙企業ブルーアロー・エアロスペースの「朱雀2号」「堯2号」ロケットが点火し、酒泉衛星発射センターから打ち上げられた。打ち上げミッションは大成功で、液体酸素メタンロケットとして初めて、所定の軌道にペイロードを送り込むことに成功し、近年人気の「液体酸素メタントレンド」が実用化に向けて着実な第一歩を踏み出したことを示した。

では、ロケットに液体酸素とメタン推進剤を選択する利点は何でしょうか?液体酸素ロケットとメタンロケットにはどのような応用の見込みがありますか?

ストーブからロケットへ

近年、液体酸素メタンロケットエンジンの実用化が徐々に注目を集めているが、その「萌芽」の時期はまだかなり早い。 1931 年 3 月、ドイツのロケットの先駆者ヨハネス・ヴィンクラーは、世界初の液体酸素メタンロケット、ヒュッケル・ヴィンクラー 1 の打ち上げを主導しました。このロケットは、今日の後継ロケットとはまったく異なっていました。燃料はチューブに貯蔵され、唯一のエンジンはロケットの中央に配置されていました。残念ながら、このロケットは高度約60メートルまでしか飛行できず、当時としては実用的な価値がなかったため、大成功を収めることはできませんでした。

20 世紀半ば、宇宙時代の到来とともに、液体ロケットは急速に発展しました。しかし、当時の液体ロケットエンジンは灯油や液体水素などを主燃料として選択しており、メタンはまだ「存在しなかった」ため、その産業技術レベルや応用範囲と密接な関係があった。

メタンは天然ガスの主成分です。天然ガスは早くから発見されていたにもかかわらず、20 世紀のほとんどの間、エネルギー市場ではほとんど注目されませんでした。これは主に、天然ガス液化技術の成熟が遅れていること、工業処理能力が不十分であること、使用コストが高いことによるもので、当然のことながら、航空宇宙燃料の安価な選択肢として機能することが困難になっています。

技術の進歩と需要の変化により、天然ガスがエネルギー取引に占める割合はますます大きくなっています。1970 年には、液化技術などの制限により、世界の天然ガス取引量はわずか 30 億立方メートルでした。 2021年までにこの数字は1兆立方メートルを超えました。日本、欧州連合、その他の国々では、天然ガスを主なエネルギー源として徐々に利用し始めています。天然ガスの精製、処理、貯蔵などの技術は成熟しつつあり、メタンの応用シナリオの多様化に貢献しています。

天然ガスは何千もの家庭や工場の台所コンロに供給されており、高い燃焼効率、環境保護、低コスト、生産の容易さなどの利点がますます顕著になっています。メタンは徐々に、ロケットエンジンの研究者が無視できない燃料の選択肢になりつつあります。実際、一部の高品質ガス田から生産される天然ガスは極めて高品質です。液化後は、追加の精製工程を経ることなく、ロケットエンジンの燃料として直接使用することができます。

1960 年代に、アメリカの航空宇宙企業はメタンロケット燃料の実用化に向けた初期の研究を開始し、液体酸素メタン推進剤の製造と応用に関してかなりの経験を蓄積してきました。我が国は1980年代にメタンロケット燃料エンジンの予備研究も行い、メタンとプロパンの電気伝熱試験や推力室点火試験を実施し、初期の成果を達成しました。多くの航空宇宙推進研究ユニットが膨大な研究成果と経験を蓄積し、液体酸素メタンエンジンの飛行のための強固な基盤を築いてきました。また、ESA、ロシア、インドなども液体酸素メタンエンジンの研究を行っているが、いずれもまだ実用的なエンジンモデルを製作しておらず、研究はまだ初期段階にある。

新しいパワーのお気に入りには多くの利点がある

各国の航空宇宙産業は早くからメタンロケット燃料の研究を開始していたが、さまざまな制約や考慮点により、20世紀を通じて液体酸素メタンエンジンはロケットを軌道に乗せることができなかった。むしろ、彼らは無名のまま技術の検証者および探究者であり続けた。

液体酸素メタンエンジンが実用化の「限界」に到達したのは、半世紀以上の技術開発を経て、2020年代になってからだった。ほぼ同時に、再利用可能なロケット技術が徐々に成熟し、液体酸素とメタン推進剤はそれぞれの長所を生かして弱点を回避するようになり、将来のロケット動力の「新たなお気に入り」となった。

推進剤の性能の点では、液体酸素メタンには、従来の液体酸素灯油に比べて独自の利点と欠点があります。密度に関して言えば、同じ設計条件下では、液体酸素とメタンの合計密度は、液体酸素と灯油の合計密度よりも約 20% 低く、これは液体メタンのエネルギー密度が液体酸素と灯油ほど良くないことを意味します。比推力に関して言えば、メタンの理論的な比推力は灯油の比推力より3％わずかに高いですが、比推力はエンジンサイクルモードなどの要因によって影響を受けやすいため、灯油とメタンの比推力は基本的に同じであると言えます。冷却効果の点では、メタンは低温燃料としてその利点を発揮します。比熱容量指数のおかげで、その総合冷却能力は灯油の3倍以上であり、炭素含有燃料としてコークス化や堆積が起こりにくく、エンジンの実際の使用に「優しい」ものとなっています。

メタンには、エンジンのメンテナンス性の点で当然の利点があります。最近は再利用可能なロケットが流行っています。液体酸素ケロシンロケットは、回収後に再び使用する前にエンジンを徹底的に洗浄する必要がある。液体メタンは揮発性の高い燃料であるため、液体酸素メタンエンジンは物流メンテナンスの作業負荷を大幅に軽減します。

メタン燃料の使用は、ロケットタンクやその他の部品の構造設計にも非常に良い影響を与えています。酸化剤としての液体酸素の沸点はおよそマイナス 183 度ですが、還元剤としてのメタンの沸点はおよそマイナス 161 度です。この 2 つは比較的近い値であり、液体酸素と液体水素の沸点温度の大きな差からは程遠い値です。そのため、クリーン燃料を選択する場合、液体酸素メタンロケットは極低温推進剤共通底タンクを便利に使用することができ、それによってタンクの重量を効果的に減らし、長さを短縮し、ロケット本体の重量を減らし、積載量を高め、複合密度の欠点を補うことができます。さらに、メタンは揮発性が高いため、タンクは自己加圧設計を採用することができ、効率的な軽量化をさらに実現するのに役立ちます。

まとめると、液体酸素メタンエンジンは強力な性能と低い運用コストを誇ります。これらの総合的な特性は、再使用型ロケット技術の開発動向に非常に適しています。彼らが新時代のロケットの「寵児」となったのも不思議ではない。

経験を積んで頂点を目指す

今回のミッションは「すざく2号」ロケットの2回目の打ち上げとなります。最初の打ち上げは昨年12月14日に行われた。残念なことに、ロケットの第2段の飛行中にエンジンパイプが破裂し、機体が故障し、ペイロードは軌道に乗れませんでした。今年上半期には、Relativity Space社のTerran-1ロケットとSpaceX社のStarshipという海外の2つの液体酸素メタンロケットが初の軌道飛行に挑戦したが、残念ながらどちらも失敗した。すざく2号ロケットチームは、不具合を適時に修復し、改良を重ねて成功を収めましたが、それは容易なことではありませんでした。

公開情報によると、わが国では、ブルーアロー・エアロスペース、九州雲矢、インターステラー・グローリー、スペース・プロパルジョンなど多くの民間航空宇宙企業が液体酸素やメタンのロケットやエンジンを開発しており、比較的目覚ましい成果を上げている。その中で、ブルーアロー・エアロスペースが最も速い進歩を遂げました。

同社が開発した「天拍12号」は中国で初めて実用化された液化酸素メタンエンジンである。ガス発生サイクルを採用し、海面推力67トン、海面比推力286秒、真空推力80トン、真空比推力337秒、チャン​​バー圧力約10MPaである。

朱雀2号ロケットの第1段には、最大268トンの離陸推力を持つ天雀12号エンジン4基が搭載されている。ブルーオリジンは現在もこのエンジンの改良を続けており、将来的には新型「天空12A」がすざく2号ロケットの第一段に搭載される予定だ。

現在、朱雀2号ロケットの第2段には、10トンの液体酸素メタン浮遊エンジン「天雀12号」と「天雀11号」が1基ずつ搭載されている。このうち、第2段エンジン「天雀12号」は、第1段エンジンと同じエンジン状態であり、真空最適化は行われていない。今後、「すざく2号」ロケットは機関車を廃止し、「天雀15A」80トン可変推力ポンプ前傾液体酸素メタンエンジンに置き換える予定で、これは「天雀12A」の真空最適化改良版ともいえる。今後、「天雀-12A」と「天雀-15A」の成功を経て、朱雀-2ロケットはコストを削減しながらさらに容量を増やし、より多くの種類の打ち上げのニーズを満たし、将来の商業宇宙打ち上げ市場のニーズに適応することが期待されます。

同時に、我が国の航空宇宙「国家チーム」も、より高度な液体酸素メタンロケットエンジンの研究開発を進めるために懸命に取り組んでいます。少なくとも80トンと200トンの液体酸素メタンエンジンが着実にテストされており、我が国の将来の大型および中型ロケットの優先動力選択肢となるでしょう。

世界を見渡すと、海外では多くの液体酸素やメタンロケットが開発中であり、エンジンのテストを加速させているものもあれば、ロケット全体の集中的な組み立てとテストを開始しているものもある。一部のモデルは非常に高いパフォーマンス指標を備えています。例えば、ブルーオリジンのBE-4エンジンは海面で240トンの推力があり、100回の再利用可能と言われています。 SpaceXは、「ラプターエンジンの推力を270トン以上にし、『スターシップ』の離陸推力を9,000トン以上にすることを目指している」という大胆な声明さえ出している。再使用型ロケットと液体酸素メタンエンジンの急成長の潮流に直面して、我が国の航空宇宙関係者はタイムリーに業界の動向を追跡し、自らの状況と実際のニーズを組み合わせ、液体酸素メタンロケットとエンジンのレベルを新たなレベルに押し上げると信じています。 （著者：石小龍）