マスク氏の「スターシップ」打ち上げは失敗、しかしエンジン「ラプター」は依然として画期的

2023年4月20日、マスク氏のスペース・エクスプロレーション・テクノロジーズ社（スペースX）が開発した超重量ロケット「スターシップ」が打ち上げから3分後に予期せず分解し、高高度で爆発した。マスク氏は、同社は今回の経験から学び、数カ月以内に再立ち上げを試みると述べた。 「スターシップ」の打ち上げは失敗したものの、使用されたエンジン「ラプター」は依然として広く注目を集め、画期的な製品として歓迎された。

今回打ち上げられたスターシップシステムは、下部の超重量ブースターと上部のスターシップ宇宙船の2つの部分で構成されています。超重量ブースターには 33 基のエンジンがあり、その上のスターシップ宇宙船には 6 基のエンジンがあります。これら 39 基のエンジンはすべてラプターですが、唯一の違いは、宇宙船の 3 基のエンジンのノズルが若干大きくなっており、真空環境での作業に適していることです。

ラプターエンジンは液体酸素メタンエンジンですが、現在市場で主流となっているエンジンは液体水素と液体酸素、液体酸素灯油です。例えば、宇宙ステーションの打ち上げに使われる長征5号では、コアステージに液体水素と液体酸素のエンジンを使用し、ブースターには液体酸素ケロシンを使用しています。マスク氏の大成功を収めたファルコン9ロケットに使用されているマーリンエンジンも液体酸素灯油です。ファルコン9が大成功を収めているのに、なぜマスク氏は新たな技術ツリーを開拓し、メタンを燃料として使いたいのだろうか？

これらの燃料を比較してみましょう。液体水素と液体酸素は最も効率的なロケット推進剤ですが、設計も難しいです。主な理由は、水素分子が非常に小さく、ポンプなどの構造物内で漏れやすいためです。また、非常に可燃性、爆発性が高く、その場で爆発する可能性が高いです。液体水素は温度が非常に低く、取り扱いが難しいです。沸点はマイナス252度で、絶対零度に近く、液体酸素の凝固点よりも低いです。つまり、液体水素タンクと液体酸素タンクを近づけると、液体酸素が凍ってしまいます。水素は密度が非常に低いため、水素を貯蔵するには非常に大きなタンクが必要となり、ロケットは厚く大きくなければなりません。

液体酸素灯油は液体水素や液体酸素ほど効率的ではありませんが、設計の難易度は低く、燃料の価格もはるかに安価です。しかし、灯油はコークス化しやすく、車を運転するときに付着するカーボン堆積物に似ています。一度使うだけなら大した問題ではないのですが、リサイクルする場合は面倒なことになります。より複雑で効率的なクローズドサイクルが採用されると、回収と洗浄がより困難になります。そのため、SpaceX Falcon 9 の Merlin エンジンでは、依然として最も原始的なガス発生サイクルであるオープンサイクルが使用されています。

ノズルの横に小さなパイプがあり、そこからガス発生器が排気されることがわかります。メタンの性能は灯油と液体水素の中間であり、それぞれの性能には中程度のアプローチが必要です。液体メタンも低温で保管する必要があり、灯油ほど便利ではありませんが、保管温度は液体酸素とほぼ同じです。 2 つのタンクは隣り合って配置することも、壁で区切って配置することもできます。これは共通底タンクと呼ばれ、ロケットの構造重量を軽減することができます（現在、液体酸素や灯油ロケットも共通底タンクを使用しており、中央に断熱フォームが配置されています）。

マスク氏にとって最も魅力的なのは、メタンがコークスを形成せず、特に再利用に適しており、燃焼後に清掃する必要がなく、すぐに再点火できることだ。マスク氏はかつて、ロケットを非常に安価にしたいなら、完全かつ迅速な回収が非常に重要だと語ったことがある。いわゆる完全回収とは、ロケットを打ち上げる際に燃料以外何も捨てず、すべてを再利用できることを意味し、確実にコストを節約できます。いわゆる急速な回復は、まさに現在の民間航空機の回復と同じである。着陸後1～2時間以内に再び飛び去ってしまいます。ロケットは民間航空機のようなもので、空を飛んでいる間は収益を生み、メンテナンスのために地上に駐機している間は費用がかかります。地上で停止する時間が短く、空を飛ぶ時間が長ければ長いほど、運用コストは低くなります。そのため、メンテナンスが容易で、飛行後に燃料を補給して再び使用できる液体酸素メタンエンジンのようなエンジンは、まさに馬氏の期待に沿ったものとなっている。もちろん、彼にはもっと素晴らしい理由があり、それは将来火星に植民地を作りたいということだ。火星には灯油はないが、メタンを生成するのに使える水と二酸化炭素があるので、将来的には火星にメタン工場を開設する必要があるかもしれない。

写真はTuchong.comより

もちろん、メタンの使用は比較的新しいものですが、スコーピオンに特有のものではありません。ラプター エンジンに本当にユニークなのは、エンジン サイクル モードです。エンジンサイクルモードとは何ですか?簡単に言えば、どうやって燃料を自分で補給するかということです。ご存知のとおり、ロケットエンジンに必要な燃料流量は非常に大きいのです。スペースシャトルとSLSのRS25エンジンを例に挙げてみましょう。この燃料ポンプは標準的なプールの水を3分以上で排水できる。これほど大きな流量のポンプを誰が運転するのでしょうか?答えは、それ自身の燃料です。最も単純なガス発生器サイクル、つまり始動サイクルは、燃料と酸化剤の一部を別々に迂回させて点火し、タービンを回転させてから、燃料ポンプを駆動して燃料を主燃焼室に送り込むというものです。手前の別個に燃焼する部分がガス発生装置です。ここでの燃料と酸化剤の主な目的はタービンを駆動することであり、その後排出されます。我が国の長征2Fエンジン、米国のサターンVエンジン、ファルコン9エンジンを観察できます。ロケットノズルの横にはガス発生器内のガスを排出する小さなパイプがあります。排気ガスは効率的に推力を発生させることができないため、無駄が生じます。

エンジンの効率を高めるために、高圧アフターバーニングサイクルとも呼ばれる段階燃焼サイクルが開発されました。これは、一度燃焼してタービンを通過した燃焼ガスを燃焼室に送り込み、再度燃焼させるのと同じです。二度燃焼するため、段階燃焼と呼ばれ、エネルギーの無駄が少なくなります。長征5号は酸素を多く含む段階的燃焼サイクルを採用しており、予備燃焼室には大量の酸素が存在し、大量の酸素を含んだ燃焼ガスがターボポンプを押して主燃焼室に入り、そこで噴射された灯油と混合して燃焼します。スペースシャトルとSLSで使用されているサイクルは、再点火段階燃焼サイクルと呼ばれ、予備燃焼室により多くの燃料があり、その後、大量の燃料を運ぶ燃焼ガスが主燃焼室に送られ、酸素と混合されて再び燃焼することを意味します。

これを聞いて、あなたは混乱するかもしれません。酸素が豊富な燃焼または燃料が豊富な燃焼のいずれかの場合、どちらか一方の成分が多く存在する必要があります。なぜちょうどよくならないのでしょうか?この燃焼ガスはタービンを駆動するために使われるため、燃焼率がちょうど良いと燃焼効率が高くなりすぎて、燃焼効率とともに温度が上昇し、タービンが溶けてしまいます。したがって、ポンプを駆動する燃焼ガスには、大量の酸化剤または大量の燃料が含まれています。

ラプターに戻ると、ラプターにも同様の段階的な燃焼サイクルがありますが、その前に「フルフロー」という 3 つの単語が追加されています。フルフロー段階燃焼サイクルとはどういう意味ですか?それは、先ほど述べた酸素を多く含む方法と燃料を多く含む方法を組み合わせることです。液体酸素を押し出す予燃焼室は酸素が豊富であり、燃料を押し出す予燃焼室は燃料が豊富です。このようにして、主燃焼室で燃焼するのは酸素を多く含むガスと燃料を多く含むガスの混合物です。ガスとガスを組み合わせると、最もよく混合され、より完全な燃焼が実現します。さらに、燃料を多く含んだガスが燃料ポンプを押し、酸素を多く含んだガスが液体酸素ポンプを押すため、たとえ漏れがあったとしても、燃料に漏れた燃料を多く含んだガスは、すでに燃料が多すぎると考えられるため、さらに燃えて爆発することはありません。同様に、酸素を多く含むガスが酸素に漏れても、燃焼や爆発は起こりません。したがって、このポンプのシーリング要件は、スペースシャトルの RS25 のシーリング要件ほど異常ではありません。メンテナンスも便利です。

歴史上、このサイクルを使用したエンジンは 3 種類しかありませんでした。最初の2機は失敗し、宇宙に行くことはなかった。スターシップが成功すれば、ラプターはフルフロー段階燃焼サイクルを使用してロケットを宇宙に送り出すことに成功した世界初のエンジンとなる。冒頭でスターシップのラプターは画期的なエンジンだと言ったのはそのためです。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: 郭盛（西安航空大学講師）

査読者：周炳紅（中国科学院国家宇宙科学センター研究員）

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司