液体ロケットの再利用、次に焦点を当てる場所はどこでしょうか?

最近、我が国が独自に開発した一種の液体酸素灯油エンジンが、度重なる飛行試験に成功しました。その結果、我が国は初めて液体ロケット推進システムの再利用を実現し、我が国の液体ロケットエンジン再利用技術が工学応用段階に入ったことになる。

世界を見渡すと、再使用型ロケットの技術が成熟し、技術的な困難が徐々に克服されるにつれ、各国で新たな開発ブームが巻き起こっている。では、再利用可能な液体ロケットの現在のモデルは何でしょうか?今後の開発動向はどうなるでしょうか？

リサイクルと再利用には多くの困難がある

液体ロケットエンジンは、宇宙打ち上げ機の主動力装置として、高性能、強力なミッション適応性、高い技術的難易度、長い開発サイクルなどの特徴を備えています。これらは宇宙打ち上げロケットの中で最も複雑な製品の 1 つです。したがって、液体ロケット推進システムの再利用は、宇宙打ち上げ機の再利用を実現するために突破しなければならない重要な技術の 1 つです。

具体的には、液体ロケットエンジンの再利用には、多重始動、低入口圧力始動、広範囲推力調整、状態評価・検出、健全性管理、迅速かつ簡素化された処理、高温部品構造疲労寿命評価・延命、フルミッション複合熱環境予測・制御などの主要技術のブレークスルーが必要です。これらの技術を開発する難しさは、従来の使い捨て液体ロケットエンジンの難しさをはるかに超えています。

米国は世界の主要航空宇宙大国の中で、再使用型ロケット推進の分野において最も強力な科学研究能力と最も広範な応用経験を有しています。アメリカは1980年代初頭に再利用可能な高推力液体ロケットエンジンの開発に成功し、それをスペースシャトルの主エンジンとして使用していました。

スペースシャトルの主エンジンは液体水素と液体酸素の推進剤を使用します。 3基のエンジンは合計600トン以上の推力を発揮し、推力は65%～109%の範囲で調整可能です。この設計により、スペースシャトルは点火時と上昇初期段階でより大きな推力を得ることができ、飛行と加速が容易になります。最終上昇段階では、メインエンジンの推力を減らして、軌道速度の正確な制御を容易にします。

スペースシャトルの主エンジンは推進力として液体水素と液体酸素を使用する。

2011年にスペースシャトルが退役した後、米国の新たな民間航空宇宙軍が「地球と空の間の再利用と往復」という重要な任務を引き受けた。その中で、スペースX社のファルコン9ロケットは、軌道クラスの打ち上げロケットの第一段の回収と再利用に革命をもたらしました。

2015年12月、ファルコン9ロケットは第1段を陸上で回収することに成功した。 2017年3月、ファルコン9ロケットの第1段が再利用され、初めて打ち上げられました。 2022年9月現在、ロケットは130回以上の第1段回収に成功しており、1機のロケットの第1段は最大14回再利用されている。高い打ち上げ強度、信頼性、経済性は驚異的です。

ファルコン 9 ロケットの技術的基礎は、並列に接続された 9 基のマーリン 1D エンジンです。このエンジンは再利用可能なロケット用に特別に設計されています。液体酸素ケロシン推進剤を使用し、単体海面推力は87トン、比推力は275秒、多重点火機能を備えている。

従来の液体ロケットエンジンと比較して、Merlin 1D エンジンの最も特別な特徴は、39% から 100% の範囲で推力調整を実現できることです。 9 基のエンジンを並列に接続すると、総推力を 4.3% ～ 100% の範囲で調整でき、ロケットの回収と再利用のための強固な電力基盤が築かれます。

さらに、マーリン 1D エンジンはファルコン ヘビー ロケットにも使用されており、27 基のエンジンが並列に接続されて第 1 段を形成し、低軌道の運搬能力が 63 トンという、運用中で最も強力なロケットとなっています。 2018年以来、ファルコン・ヘビーロケットは3回打ち上げに成功しているが、回収作業はそれほどスムーズではなく、液体ロケットの電力回収と再利用の複雑さを示している。

多くのヒーローが挑戦に挑む

国を越えて見ると、液体ロケット推進システムの再利用技術は多くの航空宇宙産業の参入を呼び込んでおり、彼らはより大きな困難に挑戦し、より高い目標を追求する意欲を持っています。

公開情報によると、我が国のある種の液化酸素灯油エンジンは、ある航空機の主動力装置として2021年に初飛行試験に参加した。試験と整備を経て、最近、繰り返しの飛行試験ミッションに成功しました。

さらに、我が国は、さまざまな推進剤と構成を使用した、多数の液体ロケット推進システムの回収計画と再利用可能な宇宙船の計画を公開しました。いくつかのエンジン試験の進捗状況に関するニュース報道からも、我が国の液体ロケットエンジン再利用技術が着実に進歩していることが確認されました。

米スペースX社は、低軌道積載量が160トンに達する「スターシップ」の開発に全力を注いでいる。同時に推進されているプロジェクトは、「ラプター」というコードネームの液体酸素メタンエンジンです。最新モデルは海面推力300トン、比推力334秒で、20％から100％の範囲で推力調整が可能です。

「スターシップ」の第1段には33基のラプターエンジンが並列に搭載されている

ラプターの最も困難かつ最も有望な指標は、燃焼室内の超高圧であり、この点ではこれまでの最高の液体ロケットエンジンであるロシアのRD-180を上回っています。超高燃焼室圧力により、ラプターはより高い推力重量比を実現できます。現在のバージョンは 107:1 に達しており、その後の改善の余地はまだたくさんあります。

現在、「スターシップ」の第2段は何度も限定高度の試験飛行を完了しており、33機の「ラプター」が並列に接続された第1段はまもなく総合的な点火試験を受ける予定で、「スターシップ」はできるだけ早く初の軌道打ち上げに挑戦することになる。

アメリカのブルーオリジン社も再利用可能なロケットの開発に成功しました。ニューシェパードロケットは2015年11月に初飛行し、回収された。今年9月12日の打ち上げ失敗までに、21回の飛行に成功し、6回の有人飛行ミッションを遂行していた。ニューシェパードロケットは現在、弾道飛行のみが可能で、BE-3液体水素エンジンと液体酸素エンジンを使用している。ブルーオリジンは、ラプターよりも推力が大きく、軌道打ち上げ運用を行うニューグレンロケットに使用される予定のBE-4液体酸素・メタンエンジンを開発している。

米国の再使用型ロケットはロシアと欧州宇宙機関の従来型ロケットの市場シェアを深刻に圧迫しており、ロシアと欧州も再使用型ロケットとその液体エンジンの研究開発に注目せざるを得なくなった。

アムールロケットはロシアが開発した再利用可能な2段式中型ロケットで、2026年にボストーチヌイ宇宙基地から初飛行する予定だ。設計によれば、ロケットの第1段は10回再利用でき、5基のRD-0169液体酸素メタンエンジンを並列に搭載している。アムールロケットは、第1段を再利用すると9.5トンのペイロードを低軌道に送り込むことができると予想されており、1回使用した場合の低軌道搬送能力は約12トンとなる。

ESAはアリアン6ロケットをベースにした再使用型ロケットを計画しており、第一段階では7基または9基のプロメテウス液体酸素メタンエンジンを使用する予定だ。議論されているロケットの構成は、それぞれ直径5.4メートルと4.6メートルで、液体ブースターと組み合わせて搭載能力をさらに高めることもできる。

三脚三脚の新トレンド

再利用可能な打ち上げロケットの出現は、世界の宇宙輸送分野のパターンと発展の方向を大きく変えました。液体ロケット推進システムは、低コストと高い信頼性を両立させながら再利用性を追求するものであり、これは新世代の液体ロケットエンジンの開発において各国のコンセンサスとなっている。

では、将来の液体ロケット推進システムにはどのような推進剤が選ばれるのでしょうか?開発動向から判断すると、液体酸素とメタンが新世代の再使用型ロケット推進の主流の選択肢になると思われます。液体酸素メタン推進剤は、比推力が高く、コストが低く、クリーンで環境に優しく、メンテナンスや使用が簡単などの利点があるため、大規模なエンジン生産や繰り返しの打ち上げに適しています。また、宇宙空間での長期保管も容易で、エンジンのサイズと質量を効果的に削減できます。特に近年人気が高まっている地球と火星間の往復ミッションでは、液体酸素メタンエンジンは火星での現地資源利用実験から恩恵を受ける可能性があります。

しかし、液体水素と液体酸素の動力の利点、例えば液体酸素と灯油の動力の高い比推力や高い信頼性は無視できず、特定のミッションでは不可欠なものとなっています。したがって、再利用可能な液体ロケットの技術的なルートは、3本柱のパターンを示す可能性が高い。

今後、再使用型ロケットが徐々に主流となるにつれ、既存の液体ロケット推進システムの研究開発、製造、保守も変化に直面しています。効率の観点から、エンジンはより多くの高強度、軽量の新材料を採用し、低コストの迅速な製造プロセスを革新する可能性があり、迅速な多重始動性能もエンジンの新たな要件となっています。

つまり、液体ロケット推進システムの再利用には明らかな利点があり、明るい未来が期待できます。宇宙打ち上げのコストを削減し、生産と生活の向上に貢献できるだけでなく、宇宙探査の新たな分野を開拓することも期待されています。 (著者: Ben Xun)