ロケットを打ち上げるとき、なぜ液体酸素やメタンの方が有利なのでしょうか？

記者ドゥアン・ラン執筆

編集者/陳勇傑

ニューメディア編集者/王山

画像提供：Blue Arrow Aerospace（署名のあるものを除く）

2023年7月12日午前9時、砂漠の奥深くにある酒泉衛星発射基地の液体酸素・メタン発射ステーションで、細い人物が発射台から立ち上がり、立ち上る煙の中の矢のように空へと駆け出した。ロケットの打ち上げ指令センターでは、尾の炎をたなびかせながら青空に消えていくロケットを、職員全員がじっと見つめていた。やがて、「すざく2号の打ち上げに成功しました」というアナウンスが雷鳴のように響き、少し重苦しい​​沈黙を破り、管制室全体に温かい拍手が響き渡った。

▲ブルーアロー航空宇宙のすざく2号ロケットの打ち上げ指揮センター（撮影：任小鵬）

この灼熱の夏の日、「朱雀2号」と名付けられたこの中型ロケット「堯2号」は、間違いなく酒泉衛星発射センターで最も明るい星です。我が国の民間航空宇宙会社「ブルーアローエアロスペース」の最高傑作です。点火から衛星を所定の軌道に送り込むまでに760.88秒かかった。この760.88秒の背景には、7月6日にロケットが移送・設置されて以来の100時間以上の努力、5月4日に嘉興市のロケット製造基地からロケットが打ち上げられて以来の67昼夜にわたる努力、そして昨年12月14日の「すざく2号」「堯1号」ロケットの打ち上げ失敗以来の7か月間の待機があった。

ZQ-2 Y2の打ち上げ成功は、ブルーアロー・エアロスペースだけでなく、中国の商業宇宙産業全体にとっても大きな前進となった。

液体ロケットが王者

高さ49.5メートル、離陸質量219トンの中型運搬ロケットである朱雀2号は、一見するとそれほど印象的な特徴を持っているようには見えないかもしれない。しかし実際には、朱雀2号は国内外の商業航空宇宙産業において間違いなく画期的な製品です。

▲「朱雀2号」Yao-2ロケット

まず、堯2号ロケットの打ち上げ成功自体が世界記録を樹立した。これは、軌道上に打ち上げられた世界初の液体酸素メタン運搬ロケットであった。ここでのキーワード「液体酸素とメタン」に注目してください。これは、朱雀2号に強力な動力を供給する「天雀」シリーズのロケットエンジンから始まります。

原理的には、ロケットは実際には搭載している推進剤を反応させて高速の熱気流を発生させ、推進力を得る動力装置です。宇宙輸送を主な任務とする打ち上げロケットの場合、エンジンに使用できる主流の推進剤の選択肢は、固体燃料、四酸化窒素/非対​​称ジメチルヒドラジン、液体酸素と灯油、液体酸素と液体水素の 4 つです。

1 つ目は固体燃料溶液であり、これは最も古いロケット燃料であると考えられます。古代に黒色火薬を燃料として使っていた原始的なロケットも固体ロケットの一種です。この推進剤の利点は、長期保管が容易で、緊急時にも対処でき、技術が簡単なことです。しかし、比推力が小さいことや推力が調整できないことなど、欠点も非常に明白です。ここで重要な概念が関係します。それは、単位量の推進剤によって生成される推力であり、秒 (s) で測定されます。これは、単位質量の推進剤が単位の推力を生み出すことができる持続時間として理解できます。これはロケットエンジンのパワーを測定するための重要なパラメータです。一般的に、比推力値が大きいほど、ロケットのパワー性能は向上します。

明らかに、一般的に比推力値が小さい固体ロケットは、運搬ロケットの打ち上げという任務を遂行することができず、補助動力としてしか機能できません。たとえば、スペースシャトルの打ち上げ時に使用される 2 つの白いブースターロケットは固体燃料を使用します。

現在、主流の打ち上げロケットの主エンジンは、基本的にすべて液体燃料溶液を使用しています。固体推進剤とは異なり、このタイプの溶液の推進剤は、液体燃料と液体酸化剤の 2 つのカテゴリに分けられます。これらは通常、打ち上げロケットエンジン上の 2 つのスペースに別々に格納され、燃焼室に入った後に激しい反応を起こして推力を生成します。すべての液体推進剤方式の中で、液体酸素は最も古い酸化剤です。 1926年、人類史上初の液体燃料ロケットは、液体酸素（酸化剤）＋ガソリン（燃料）の方式を採用しました。これは最も効率的で安価な酸化剤でもあります。多くの主流の打ち上げロケットの主エンジンは酸化剤として液体酸素を使用していますが、違いはそれに合わせた燃焼剤にあります。中でも、液体酸素＋灯油、液体酸素＋液体水素の組み合わせが最も広く使用されています。

▲ケネディ宇宙発射センターにあるSpaceXの液体酸素タンク（写真提供：SpaceX）

水素の燃焼エネルギーが驚異的であることは知られています。水素1グラムは完全燃焼後に約141キロジュールのエネルギーを放出することができ、人類が知る燃料エネルギーのリストでトップを占めています。

ロケットのパワーを最大化する観点からは、液体酸素と液体水素が最良の選択肢です。これにより、エンジンは理論上最大 463.1 秒の真空比推力を生み出すことができます。アポロ月探査機を運んだ超重量級ロケット「サターンV」の第1段と第2段のエンジン、そして史上最大の推力を持つ旧ソ連の「エネルギア」ロケットの主エンジンは、いずれも液体水素と液体酸素の推進剤を使用していた。もちろん、この推進剤方式には明らかな欠点もあります。液体水素と液体酸素自体は低温状態で保管する必要があり、液体酸素の温度は液体水素よりも高くなります。さらに、液体水素自体が大きなスペースを占めるため、ロケット燃料タンクや酸化剤タンクの設計は非常に複雑になります。結果として生じるコストの高騰により、経済性を重視する民間航空宇宙産業は基本的に除外されることになります。

液体酸素に加えて、有人宇宙船「神舟」シリーズの輸送に使用された長征2FロケットやロシアのプロトンMロケットなど、酸化剤として四酸化窒素、燃料として非対称ジメチルヒドラジンを使用する試みも行われてきた。このタイプの推進剤は室温で保管できますが、四酸化窒素は毒性が強く、調製コストも高くなります。非対称ジメチルヒドラジンと組み合わせた場合に生成される理論上の最大真空比推力は約 347 秒ですが、これは他の液体推進剤の選択肢に比べて明らかな利点がなく、商業宇宙飛行には理想的な選択肢ではありません。費用対効果の高い打ち上げを実現するために、商用打ち上げロケットは液体酸素に戻る必要があります。ロケットタンク技術の発達により、液体酸素の貯蔵コストは大幅に低下しました。製造しやすく保管しやすいこの酸化剤は、商業宇宙飛行の唯一の選択肢となっています。問題は、そのパートナーとしてどのような燃料を使用するべきかということです。前述の液体水素は、保管コストが高いため、絶対に検討対象ではありません。現在、多くの民間航空宇宙企業が液体酸素＋灯油溶液を使用しています。この組み合わせで生成される比推力は液体酸素＋液体水素よりもわずかに低くなりますが、灯油は保管が便利で入手しやすく、コストも抑えやすいです。液体酸素 + 灯油溶液は、理論上最大 367 秒の真空比推力を生成できます。サターン V の第 1 段ロケットのメイン エンジンと、SpaceX で広く使用されているマーリン エンジンは、この推進剤溶液を使用しています。しかし、灯油は燃焼後に炭素堆積物を生成するため、エンジンのメンテナンスに大きな負担がかかります。

液体酸素＋メタン、新たなロケット推進剤ソリューション

では、液体酸素＋灯油以外に、商業宇宙打ち上げに適した推進剤はあるのでしょうか？これが、Tianque 12 タイプが採用したソリューション、つまり液体酸素 + メタンにつながります。燃料としてのメタンには大きな利点があります。液体温度が液体酸素の温度に非常に近いため、液体酸素 + 液体水素溶液の場合のように燃料タンクと酸化剤タンクを断熱するコストを節約できます。さらに、メタンの密度は液体水素よりもはるかに高いため、同じ体積でより多くの燃料をロケットに積むことができます。

最も重要なのは、メタン自体の生産コストが液体水素、灯油、UDMHよりも低いことです。液体酸素＋メタン溶液によって生成される出力は、液体酸素および液体水素のそれと比べるとまだはるかに低いですが（液体酸素＋メタンによって生成される理論上の最大比推力は約 379 秒です）、液体酸素および灯油推進剤と同等です。さらに、そのグリーンで環境に優しい特性により、液体酸素 + メタン ソリューションは、将来の新世代の打ち上げロケット技術の開発方向に適合します。コスト削減と効率向上に取り組んでいる民間航空宇宙産業にとって、液体酸素とメタンが新たな選択肢になりつつあります。

▲すざく2号・やお2号ロケットが打ち上げられる

現在、世界の民間航空宇宙大手であるスペースXは、高推力の液体酸素メタンエンジン「ラプター」シリーズの開発に全力で取り組んでいる。これは世界初の液体酸素メタンロケットエンジンです。 2012年から研究開発が開始され、2016年には本格的なエンジンテストが開始された。現在第3世代にまで進化したラプターエンジンは、真空状態で最大2530キロニュートンの推力を生み出すことができ、真空比推力は363秒に達している。当時の強力なサターン V ロケット、その第 2 段液体酸素と液体水素の主エンジン J-2 では、これら 2 つの項目の指標はわずか 1202 キロニュートンと 421 秒であったことに留意する必要があります。

▲SpaceXが開発した2つの液体ロケットエンジン。右が全流量段燃焼サイクル方式の「ラプター」、左がオープンサイクル方式の「マーリン」（画像出典：Twitter）

SpaceXに加えて、世界有数の民間航空宇宙企業であるBlue Originも、液体酸素およびメタンエンジンの研究開発に非常に熱心です。同社は2011年にBE-4液体酸素メタンエンジンの研究開発プロジェクトを開始し、2017年に最初のエンジンテストを実施した。設計要件によると、BE-4の真空推力は2400キロニュートンに達する。真空比推力に関する公式データはありませんが、一般的には約340秒であると推測されています。 「ラプター」に匹敵する強者だということがわかります。これら2つの大手と比較すると、Blue Arrow AerospaceのTianque 12エンジンは後発としか見なされません。まず、天雀12号の開発は2017年に始まったばかりで、最初の試験運転は2019年に完了しました。これは世界で3番目に登場する液体酸素メタンロケットエンジンです。

さらに、ラプターとBE-4はどちらも再利用できるように設計されています。いずれも推進剤として液体酸素とメタンを使用していますが、設計コンセプトには明らかな違いがあります。推力を発生させるには、エンジン内の燃料と酸化剤を燃焼室で混合して燃焼させる必要があります。 2 つの出会い方によって、燃焼サイクル モードが分けられます。ラプターとBE-4はどちらも「段階的燃焼サイクルモード」を採用しており、その基本原理は、燃料または酸化剤が最初に予燃焼室で濃厚燃焼（大量の燃料と少量の酸化剤が燃焼）または酸素過剰燃焼（大量の酸化剤と少量の燃料が燃焼）を受けるというものです。燃焼によって発生した熱によってタービンが駆動され、ポンプ構造が駆動されて燃料または酸化剤が輸送されます。その後、排気ガスは主燃焼室に送られ、最終燃焼によって推力が生成されます。

このモードでは推進剤の利用率が大幅に向上し、エンジンの比推力が増加します。しかし、両者の間には違いもあります。 「ラプター」は最も大胆かつ過激な「全流量段階燃焼サイクル」モードを採用しています。これは段階燃焼サイクルモードの一種です。その本質は、燃料と酸化剤の両方が事前に燃料過多と酸素過多の燃焼を経る必要があるため、「フルフロー」と呼ばれます。このモードは、エンジン推進剤の利用率を最大化し、エンジンの耐用年数を延ばします。ただし、この複雑なサイクル モードでは、構造も複雑になり、製造プロセス要件も厳しくなります。これは、「ラプター」エンジンの長期にわたる研究開発サイクルからも明らかです。

それに比べて、BE-4 の設計は比較的保守的で、基本的な段階的な燃焼サイクル モードを採用しています。つまり、予燃焼室が 1 つだけ設置され、酸素が豊富な燃焼が 1 回だけ実行されます。 BE-4 の燃焼効率はラプターよりも低いですが、研究開発コストとリスクはより制御可能です。しかし、さまざまな理由により、BE-4はまだ地上試験の段階にあります。 「ラプター」やBE-4エンジンの設計と比較すると、天雀12はよりシンプルな「オープンサイクルモード」を採用しています。このモードには複雑な予燃焼条件はありません。ガス発生器を設置して、液体酸素とメタンの一部をここで燃焼させてタービンを駆動する電力を発生させるだけです。その後、タービンが燃料ポンプと酸化剤ポンプを駆動して、液体酸素とメタンを燃焼のために直接メイン燃料室に送ります。

「段階燃焼サイクルモード」とは異なり、ガス発生器で発生した排気ガスは再燃焼されず、直接排気ガスとして排出されます。これにより、天雀12型は推進剤の利用において明らかに一定の欠点を抱えることになりますが、シンプルな設計によってもたらされる低コストと低リスクは、商用航空宇宙の基本的なニーズとも非常に一致しています。天雀12号は公開されたロケットとしては最も最新であったが、開発の進捗が最も早く、朱雀2号が軌道投入に成功した世界初の液体酸素メタンロケットの称号を獲得するのに貢献した。

▲ 液体ロケットエンジンのいくつかの作動モードの概略図（画像出典：flownex.com）

コストを削減し効率を高める11の技術革新

「朱雀2号」の開発過程は実に困難を極めた。ブルーアロー・エアロスペースの設立からわずか3年後の2017年、中型液体燃料ロケット「朱雀2号」が正式に打ち上げられ、同年末には計画設計段階に入った。それ以来、プロジェクトは急速に進展しました。 2019年、ロケットの動力源である天拍12エンジンは、システム全体のテスト運転を無事に完了した。同年、ロケットは試作開発段階に入り、2021年にはサンプル開発段階に入った。姚1号ロケットは2022年に組み立てられ、出荷される予定だ。しかし、すべてが順調に進んでいるように見えたが、2022年12月14日に姚1号ロケットの打ち上げが失敗し、プロジェクトは挫折した。しかし、ブルーアロー航空宇宙の技術者が何ヶ月にもわたって継続的にトラブルシューティングした結果、姚2号ロケットは今年5月に無事に組み立てられ、工場から出荷され、酒泉に到着し、ついに7月12日に軌道に乗ることに成功した。（ヒント：横向きでご覧ください）

（ロングピクチャー制作：編集者任暁鵬、デザイナー李立峰）

Zhuque-2 は Blue Arrow Aerospace の長年にわたる努力の成果です。ブルーアロー・エアロスペースは、液体酸素ロケットとメタンロケットの分野で主導的な地位を占めるだけでなく、ロケットの多くの細部において大胆に先駆的かつ革新的であり、国内外の基準を先取りした新しいアイデアや技術を大胆に採用し、商業航空宇宙におけるコスト削減と効率向上の道を新たなレベルに押し上げています。例えば、朱雀2号は、高推力の二重極低温液体ロケットエンジンポンプバックスイング技術を採用した中国初のロケットである。ポンプバックスイング技術を理解するには、まず、ロケットの打ち上げ時に、推進剤の燃焼によりロケットの質量が減少し、空気が徐々に薄くなるため、ロケットの動作の安定性を確保するために、飛行姿勢をリアルタイムで調整する必要があることを知っておく必要があります。これには、エンジン ノズルの対応するベクトル制御が必要であり、これは単にノズルをスイングさせることを意味します。現在、同業者のスイング技術は、ポンプ前のスイングとポンプ後のスイングの2つのカテゴリに分かれています。いわゆるプレポンプスイングとは、スイング動作を実現するためのサーボ機構を燃料ポンプと酸化剤ポンプの前に配置することです。実際、ポンプや主燃焼室などのエンジンの主要構造がノズルとともにスイングできるようにし、推進剤はサーボ機構とともにスイングできるホースを通じてポンプ構造に入ります。ポストポンプスイングは、サーボ機構を主燃焼室の前に配置し、推進剤は固定されたハードパイプを通ってポンプに入ります。ポンプ構造と主燃焼室は一緒に「スイング」する必要があるため、ポンプの前のスイングには、ポンプの後ろのスイングよりも大きく重いサーボ機構が必要です。これにより、ロケット本体内のすでに非常に貴重なスペースがさらに占有されることになり、ロケットの軽量化には明らかにつながりません。

▲ポンプバックスイング技術を採用した天雀12号エンジンはベクトル制御試験中

特筆すべきは、朱雀2号は2段式ロケットであり、第1段に天雀12号エンジン4基を搭載しており、いずれもポンプポストスイング構造を採用している点だ。第2段には、スイミングエンジン（略して「スイミングエンジン」）として、推力がやや小さい天雀12号と天雀11号が搭載されています。いわゆるスイミングエンジンは、主にメインエンジンの補助動力として機能し、同時にノズルをスイングさせることで第2段ロケットの姿勢制御や終端速度補正も行います。 4つのノズルを備えたTianque 11もポンプバックスイング技術を採用していますが、メインエンジンは固定モードを採用しています。このエンジンの組み合わせモードは非常に効率的だが、昨年12月に朱雀2号が初めて打ち上げられたとき、探査車として機能した天雀11号の故障により失敗した。結局、成功まであと一歩のところで最小軌道速度に到達できなかったため、失敗に終わりました。さらに、構造設計の面では、朱雀2号は中国で初めて液体酸素とメタンの自己加圧技術を導入し、推進剤容量の増加だけでなくロケットの重量も軽減し、打ち上げコストをさらに削減しました。高精度、高圧、低温レギュレーターと低温スプリングエネルギー貯蔵ダイナミックシーリング技術により、液体酸素メタンエンジンの安全性と信頼性が向上し、生産コストが削減されます。ステージチェンジ制御技術によりエンジンの故障診断も可能となり、ロケットは打ち上げ開始時に健康状態の自己チェックを行うことができるため、打ち上げ成功率が大幅に向上します。

さらに、大型ノズルのレーザー溶接技術、エンジン推力調整技術、制御システムの半物理シミュレーション技術など、合計11の技術革新により、朱雀2号・堯2号ロケットの軌道投入の成功が完全に保証されました。古代中国の神話では、朱雀は灰から再生する能力を持つ空の霊獣です。朱雀2号の運命はその名前を反映しているようだ。最初の打ち上げは失敗に終わったものの、ブルーアロー・エアロスペースの全員がプレッシャーに耐え、経験を総括し、勇敢に前進し、ついに「すざく2号」の復活を成し遂げた。

この打ち上げの成功の背後には技術革新による強力なサポートがあり、技術革新の背後には中国の商業宇宙飛行士の闘志がもたらす尽きることのない力がある。