エンジン：ロケットの心臓部

打ち上げロケットが宇宙産業の発展の基盤であり、宇宙船を宇宙に打ち上げる「はしご」であるならば、ロケットエンジンは打ち上げロケットを宇宙に打ち上げる強力な動力を生み出す、打ち上げロケットの「心臓部」です。打ち上げロケットを理解するには、まずロケットエンジンを理解する必要があります。

打ち上げロケットの基礎

打ち上げ機の基本はロケットエンジンであると言えます。ロケットが輸送手段として分類される理由は、ロケットエンジンの動作原理が他の種類のエンジンとは異なるためです。

ロケットエンジンは、搭載するエネルギーと作動流体を完全に利用して高温高圧のガスを生成し、ノズルを通して膨張して高速ジェットに加速し、反動推力を得るジェットエンジンです。最大の特徴は、大気圏内の空気を使わず、大気圏内と大気圏外の宇宙空間の両方で動作できる能力を持っていることです。

対照的に、ターボジェットエンジンは、空気を作動流体として使用し、吸入した空気で燃焼するための独自の燃料を搭載し、高温の燃焼ガスを排出して推力を生成する必要があります。プロペラエンジン自体が運ぶ燃料は主に機械的エネルギーとトルクを生成するために使用され、プロペラを駆動して空気中に空気力を発生させて移動します。

火薬と古代のロケットエンジン

現代の航空宇宙は西洋で生まれましたが、我が国では 1950 年代まで独自の航空宇宙産業が正式に開始されませんでした。しかし、世代的背景を真剣に考えてみると、最も古いロケットエンジンは中国で生まれたと言えるでしょう。これは我が国の四大発明の一つである「火薬」のおかげです。最も初期の火薬は黒色火薬とも呼ばれていました。私の国で火薬の製法を記録した最初の本は、8世紀か9世紀頃に書かれました。硫黄、硝石、木炭を混ぜ合わせたもの。これは火薬のレシピです。

火薬は外部エネルギーによって点火されると、大量のガスと熱を発生しながら急速かつ規則的に燃焼します。もともと非常に小さかった固体火薬の体積が一気に膨張し、数千倍にまで増加しました。火薬を容器に密封した状態で点火すると爆発が起こります。しかし、火薬の点火によって発生したガスを一方向に誘導し、整然と排出することができれば、ロケットエンジンになります。

『宋史記 軍記』によれば、北宋開宝三年、すなわち西暦970年に、兵部史官の馮継勝が宋太祖の趙匡胤にロケットの製造方法を献上した。この方法は、矢の先端に火薬の入った筒を結び付けて点火し、燃える火薬から後方に噴出されるガスの反力を利用して矢を射るというものです。これは世界最古のロケットです。

全体的に見て、古代のロケットエンジンは火薬の発明による単なる副産物であり、非常に限られた役割しか果たしていませんでした。黒色火薬で作られた古代のロケットの比推力は一般的に約 50 ～ 150 秒ですが、現代のロケットに使用されている液体水素および液体酸素ロケット エンジンは、海面で 366 秒の比推力に達することができます。現代の固体ロケットエンジンでも、比推力は 250 秒を超えます。ロケットエンジンの性能向上により、ロケットはより軽い質量でより長い射程距離を達成できるようになりました。

現代のロケットエンジンの開発

ロケットエンジンが無知から抜け出し、科学的な理論的指導を受けることができたのは、ロケットの父である有名なロシアの科学者コンスタンチン・ツィオルコフスキーのおかげです。 20 世紀初頭、彼は加速を達成するために自身の作動流体を消費するロケット方程式を理論的に提案し、ロケットエンジンの明確な定義の基礎を築きました。彼は理論的な推論を通じて液体ロケットエンジンの概念を提唱し、それが宇宙飛行に最も適した動力装置であることを証明した。この科学界の巨人は、ターボポンプや燃焼室の再生冷却など、液体ロケットエンジンの重要な設計概念も提案しました。

それ以来、ロケットエンジンは急速に発展を遂げてきたと言えます。米国のゴダードは世界初の液体ロケットエンジンを発明し、1923年にガソリン/液体酸素ロケットエンジンの地上点火試験に世界で初めて成功しました。遠く離れたドイツでは、オーベルトが1930年にヨーロッパ初の液体ロケットエンジンを設計・製造しましたが、その推進剤としては液体酸素とメタンの組み合わせが使用されました。

技術の継続的な進歩により、ロケットエンジンも多くの種類のものに発展してきました。ロケットエンジンは、エネルギーの種類に応じて、化学ロケットエンジン、電気ロケットエンジン、原子力ロケットエンジン、太陽ロケットエンジン、レーザーロケットエンジン、そして構想されている光子ロケットエンジンに分類できます。

現在最も広く使われているロケットエンジンは化学ロケットエンジンです。化学ロケットエンジンのエネルギーは、使用される推進剤の化学反応と燃焼によって放出される化学エネルギーから得られます。化学ロケットエンジンは、使用される推進剤の物理的形態に応じて、液体ロケットエンジン、固体ロケットエンジン、ハイブリッドロケットエンジン、ゲルロケットエンジン、ペーストロケットエンジンなどのカテゴリに分類できます。最も一般的なものは液体ロケットエンジンと固体ロケットエンジンです。

液体ロケットエンジン

液体ロケットエンジンは現在、さまざまな種類の打ち上げロケットの主動力システムに広く使用されています。使用される推進剤には液体燃料と酸化剤があり、それぞれのタンクに貯蔵され、作動時に専用の供給システムによってロケットエンジンの推力室に輸送されます。液体ロケットエンジンに一般的に使用される推進剤の組み合わせには、液体水素/液体酸素、非対称ジメチルヒドラジン/四酸化窒素、灯油/液体酸素、メタン/液体酸素などがあります。

液体ロケットエンジンは、一般的に、推力室、推進剤供給システム、およびエンジン制御システムで構成されます。

推力室は、インジェクター、燃焼室、ノズルアセンブリなどで構成されています。推進剤はインジェクターを通じて燃焼室に噴射され、霧化、蒸発、混合、燃焼などの一連のプロセスを経て燃焼生成物を生成し、大量の熱を放出します。このとき、燃焼室内の温度は2500～4100℃に達し、圧力は30MPaに達することもあります。これらの高温高圧のガスはノズルを通って膨張し、毎秒1,800〜4,300メートルの高速に加速されてエンジンから排出されます。これらのガスの融点は鋼鉄の約 2 倍であるため、高温のガスと接触する液体ロケット エンジンのすべての表面は冷却または断熱する必要があります。

推進剤供給システムの機能は、設計された流量と圧力で推進剤を燃焼室に供給することです。供給方法の違いにより、押し出しタイプとポンプ圧タイプの2種類があります。押し出し供給システムは、一般的に小型推力エンジンに使用されます。高推力エンジンでは、一般的に、ガスタービンポンプを使用して推進剤の圧力を高めるポンプ圧力供給システムが使用されます。

エンジン制御システムの機能は、エンジンの始動、運転、停止の 3 段階で推力の大きさや推進剤の混合比などの動作パラメータを調整および制御し、エンジンが所定のプログラムに従って動作するようにすることです。

固体ロケットモーター

固体ロケットエンジンは、主にロケット、ミサイル、観測ロケットのエンジンとして、また宇宙船の打ち上げや航空機の離陸のためのブースターエンジンとして使用されます。構造がシンプルで、推進剤の密度が高く、日常使用において利便性と信頼性に優れているなどの利点があります。固体ロケットエンジンの最も顕著な特徴は、すべての推進剤が粒子の形でエンジンの燃焼室に貯蔵されることです。穀物には完全燃焼に必要な化学成分がすべて含まれています。一度点火されると、通常、推進剤が完全に消費されるまで、高温のガスにさらされたすべての表面で、粒子は所定の速度でスムーズに燃焼します。粒子の形状を設計することで、燃焼生成物の生成速度を制御し、固体ロケットモーターの推力を制御できます。

固体ロケットエンジンには、推進剤と燃焼室に加えて、ノズルアセンブリと点火装置も含まれています。点火装置は通常、電気点火管と火薬箱で構成されています。電源を入れると、電熱線によって黒色火薬が点火され、黒色火薬が火薬柱に点火します。固体ロケットモーターのノズルには、燃焼ガスの膨張を加速して推力を発生させるだけでなく、サーボ制御システムと連動してガス噴射の角度を制御し、推力方向の制御を実現する柔軟なコンポーネントが装備されていることがよくあります。