エアロスパイクエンジン

エアロスパイクエンジンは、広範囲の高度にわたって空力効率を維持するロケットエンジンの一種である。^[1]これは高度補正ノズルエンジンのクラスに属する。^{[2]エアロスパイクエンジンは、多くの}単段軌道投入（SSTO）設計に提案された。スペースシャトルの主エンジンの候補だった。しかし、2023年時点では、いくつかの大型エアロスパイクが試験段階にあるものの、そのようなエンジンは商業生産されていない。^[3]

エアロスパイクという用語は、もともと、プラグ テールがない部分を補うために「エア スパイク」を形成する、大まかな円錐形のテーパーとガス注入を備えた切り詰められたプラグ ノズルを指すために使用されていました。ただし、全長のプラグ ノズルもエアロスパイクと呼ばれることがあります。

エンジン ベルの目的は、ロケット エンジンの排気を一方向に向け、反対方向に推力を発生させることです。排気は高温のガス混合物で、実質的にランダムな運動量分布を持っています (つまり、排気はあらゆる方向に押し出します)。排気がこの形で排出されると、流れのごく一部だけが正しい方向に移動して、前方への推力に寄与します。ベルは、間違った方向に移動する排気を方向転換して、正しい方向に推力を発生させます。周囲の気圧も排気に小さな圧力をかけ、エンジンから出るときに排気が「正しい」方向に移動するのを助けます。機体が大気中を上昇すると、周囲の気圧が低下します。これにより、推力を生成する排気がベルの端の外側で膨張し始めます。この排気は「間違った」方向（つまり、主排気煙から外側へ）に流れ始めるため、逃げる排気はもはやエンジンの推力に寄与せず、ロケットが移動するにつれてエンジンの効率は低下する。エアロスパイクロケットエンジンは、この効率の低下を排除しようとする。^[1]

エアロスパイクエンジンは、ベルの中央にある小さな穴から排気ガスを噴射する代わりに、従来のエンジンベルと同じ機能を果たすくさび形の突起「スパイク」の外側の縁に沿って排気ガスを噴射することで、このランダムな分布を回避します。スパイクは「仮想」ベルの片側を形成し、もう片側は外気によって形成されます。^[1]

エアロスパイクの設計の背後にある考え方は、低高度では周囲の圧力がスパイクに対して排気を圧縮するというものである。スパイクのベースゾーンでの排気の再循環により、そのゾーンの圧力をほぼ周囲まで上げることができる。機体の前方の圧力は周囲圧力であるため、スパイクのベースでの排気は機体が受ける抗力とほぼ釣り合うことになる。全体的な推力は発生しないが、ノズルのこの部分は部分的な真空を形成することで推力を失うこともなく、低高度ではノズルのベース部分の推力は無視できる。^[1]

車両が高度を上昇するにつれ、スパイクに排気ガスを押さえつける空気圧が下がり、車両前方の抗力も減少する。スパイクの基部にある再循環ゾーンは、そのゾーンの圧力を車両前方のほぼ真空よりも高い 1バール未満に維持し、高度が上昇するにつれて追加の推力を与える。これは事実上「高度補償装置」のように機能し、空気圧が低下するとベルのサイズが自動的に補正される。^[1]

エアロスパイクの欠点は、スパイクの重量が重くなることである。さらに、冷却面積が大きくなるとノズルにかかる圧力が下がり、理論値よりも性能が低下する可能性がある。エアロスパイクはマッハ1～3の間では比較的性能が悪く、機体周囲の気流によって圧力が下がり、推力も低下する。^[4]

この設計には、形状によって異なる複数のバージョンがあります。トロイダル エアロスパイクでは、スパイクはボウル型で、排気は外縁の周りのリング状に排出されます。理論上、最高の効率を得るには無限に長いスパイクが必要ですが、短い切り詰められたスパイクの中心から少量のガスを吹き出すことで (砲弾のベース ブリードのように)、同様の効果が得られます。

リニア エアロスパイクでは、スパイクはテーパーの付いたくさび形のプレートで構成され、排気は「厚い」端の両側から出ます。この設計には積み重ねられるという利点があり、複数の小型エンジンを並べて 1 つの大型エンジンにすることができ、個別のエンジン スロットル コントロールを使用してステアリング性能を強化できます。

ロケットダインは、1960年代にさまざまな設計について長期にわたる一連のテストを実施した。これらのエンジンの後期モデルは、信頼性の高いJ-2エンジン機構をベースとし、ベースとなった従来のエンジンと同程度の推力レベルを提供した。J -2T-200kでは200,000 lbf (890 kN ) 、J-2T-250kでは250,000 lbf (1.1 MN)であった（Tはトロイダル燃焼室を指す）。30年後、彼らの研究はNASAのX-33プロジェクトで使用するために復活した。この場合、わずかにアップグレードされたJ-2Sエンジン機構がリニアスパイクとともに使用され、 XRS-2200が作成された。さらなる開発とかなりのテストの後、このプロジェクトは、X-33の複合燃料タンクが繰り返し故障したため中止された。

X-33 プログラム中に 3 基の XRS-2200 エンジンが製造され、NASA のステニス宇宙センターでテストが行​​われました。単発エンジンのテストは成功しましたが、2 基のエンジンのセットアップのテストが完了する前にプログラムは中止されました。XRS-2200 は、海面で 204,420 lbf (909,300 N) の推力とI _sp 339 秒、真空中では 266,230 lbf (1,184,300 N) の推力と I _sp 436.5 秒を生み出します。

RS-2200 リニア エアロスパイク エンジン^[5]は、XRS-2200 から派生したものです。RS-2200 は、ベンチャースター 単段式軌道投入機の動力源となる予定でした。最新の設計では、7 基の RS-2200 がそれぞれ 542,000 ポンドの力 (2,410 kN) を出力し、ベンチャースターを低地球軌道に打ち上げます。RS-2200 の開発は、X-33プログラムがスペース ローンチ イニシアティブの資金提供を受けられなかった 2001 年初頭に正式に中止されました。ロッキード マーティンは、 NASA からの資金援助なしにベンチャースター プログラムを継続しないことを選択しました。このタイプのエンジンは、アラバマ州ハンツビルの NASA マーシャル宇宙飛行センターの敷地内に屋外展示されています。

2001年に連邦政府がロッキード・マーティンX-33の開発を中止したことで資金は減少したが、エアロスパイクエンジンは活発な研究が行われている分野である。例えば、カリフォルニア州立大学ロングビーチ校（CSULB）とガーベイ・スペースクラフト・コーポレーションの共同学術・産業チームが2003年9月20日にモハーベ砂漠で液体燃料エアロスパイクエンジンの飛行試験に成功したことは画期的な出来事であった。CSULBの学生は1,000 lb _f （4.4 kN）のLOX/エタノールエアロスパイクエンジンを使用してプロスペクター2（P-2）ロケットを開発していた。エアロスパイクエンジンに関するこの研究は継続しており、10チャンバーエアロスパイクエンジンであるプロスペクター10は2008年6月25日に試験発射された。^[6]

2004 年 3 月、NASAドライデン飛行研究センターの後援により、カリフォルニア州カールスバッドに拠点を置くブラックスカイ社製の高出力ロケットを使用した2 回のテストが成功し、さらなる進歩が遂げられました。エアロスパイク ノズルと固体ロケット モーターは、オンタリオ州トロント北部のセサロニ テクノロジー社のロケット モーター部門で開発および製造されました。2 機のロケットは固体燃料で駆動し、非切頂トロイダル エアロスパイク ノズルを装備していました。テキサス州フォート ストックトンのペコス郡航空宇宙開発センターで飛行したロケットは、最高高度 26,000 フィート (7,900 m)、速度マッハ約1.5 を達成しました。

ハイブリッドロケット推進剤構成を使用した小規模エアロスパイクエンジンの開発は、反応研究協会の会員によって進められています。

2020年にドレスデン工科大学とフラウンホーファーIWSは、積層造形エアロスパイクエンジンの研究のためのCFDμSATプロジェクトを開始しました。プロトタイプはすでにドレスデン工科大学の航空宇宙工学研究所のテストセルでテストされており、30秒の燃焼時間を達成しています。^[7]

2014年7月、ファイアフライ・スペース・システムズは、第一段にエアロスパイクエンジンを使用するアルファロケットの計画を発表しました。小型衛星打ち上げ市場向けに設計されたこのロケットは、従来のロケットよりもはるかに低い800万～900万米ドルの価格で衛星を低軌道（LEO）に打ち上げるように設計されています。^[8]

ファイアフライ アルファ1.0 は、最大 400 キログラム (880 ポンド) のペイロードを運ぶように設計されました。カーボン複合材料を使用し、両方のステージで同じ基本設計を採用しています。プラグ クラスター エアロスパイク エンジンは、90,000 ポンド力 (400 kN) の推力を出力します。エンジンにはベル型のノズルがあり、半分に切断されてリング状に伸ばされ、半分のノズルがプラグの形状を形成しています。^[8]

このロケットの設計は打ち上げられることはなかった。Firefly Space Systems が倒産した後、設計は放棄された。新しい会社であるFirefly Aerospace は、Alpha 2.0 設計でエアロスパイク エンジンを従来のエンジンに置き換えた。しかし、同社はエアロスパイク エンジンを搭載した部分的に再利用可能なスペースプレーンである Firefly Gamma を提案している。

2017年3月、ARCAスペースコーポレーションは、リニアエアロスパイクエンジンを使用したハース2CAと名付けられた単段式軌道投入（SSTO）ロケットを製造する意向を発表しました。このロケットは、1回の打ち上げにつき100万ドルの費用で、最大100kgを低軌道に送り込むように設計されています。 ^[9]その後、同社は、エグゼキューターエアロスパイクエンジンが海面で50,500ポンド力（225kN）、真空中で73,800ポンド力（328kN）の推力を生み出すと発表しました。^[10]

2017年6月、ARCAは、リニアエアロスパイクエンジンを使用したデモンストレーター3ロケットを宇宙に飛ばすと発表した。このロケットは、ハース2CAのいくつかのコンポーネントを低コストでテストするために設計された。彼らは2017年8月に飛行を発表した。^[9 ] 2017年9月、ARCAは、遅延の後、リニアエアロスパイクエンジンがデモンストレーター3ロケットで地上テストと飛行テストを行う準備ができたと発表した。^[9]

2019年12月20日、ARCAは打ち上げ支援システム用のLAS 25DAエアロスパイク蒸気ロケットエンジンをテストした。^[11]

ロサンゼルスのKSF SpaceとInterstellar Spaceによる別のスパイクエンジンのコンセプトモデルは、SATORIという軌道車両用に設計されました。資金不足のため、このコンセプトはまだ開発されていません。^[12]

ロケットスターは2019年2月に3Dプリントのエアロスパイクロケットを高度50マイルまで打ち上げる予定だったが、安全上の懸念から打ち上げ3日前に打ち上げを中止した。同社は現在2度目の打ち上げに取り組んでいる。^[13]

2021年11月、スペインに拠点を置くパンゲア・エアロスペースは、小規模な実証用メタン酸素エアロスパイクエンジンDemoP1の高温燃焼試験を開始した。 ^{[14] [15]}

パンゲアは、デモンストレーターDemoP1のテストに成功した後、300kN ARCOSエンジンへのアップスケールを計画しています。^[16]

ワシントン州ケントに本社を置くストークスペースは、再利用可能な第2段ロケット用の分散アーキテクチャLH2/LOXエアロスパイクシステムの構築とテストを行っています。^[17]

ブレーメンに拠点を置くドイツの新興企業POLARIS Raumflugzeuge GmbHは、 2023年4月にドイツ連邦軍からリニアエアロスパイクエンジンの設計と飛行試験の契約を獲得した。同社は、2023年後半にV-2ロケットが開発されたペーネミュンデ[20]で、4番目のスペースプレーン実証機DEMO-4 MIRAにこの新型エンジン^を搭載して試験する予定である^{[18] [19]}。

オリジナルのMIRAデモンストレーターは2024年2月に滑走路事故で壊滅的な被害を受けた。^[21]

2024年10月29日、同社はバルト海上空での飛行中にエアロスパイクエンジンを点火し、灯油燃料のターボジェット4発エンジンMIRA-II実証機に動力を与えた初の企業となった。この試験では、エンジンへの負担を最小限に抑えながらデータを収集するために3秒間の燃焼を行った。この機体は4m/s²の加速度を達成し、900ニュートンの推力を生み出した。^{[22] [23]}

バース大学を拠点とするバース・ロケット・チームは、2020年からエアロスパイクノズルを備えた独自のハイブリッドロケットエンジンの開発に取り組んでいます。このエンジンは、2023年に英国で開催されるレース・トゥ・スペース全国推進競技会で初めてテストされました。 ^{[24]チームは、} EuRoC24で初飛行する予定のエンジンの飛行準備完了バージョンを開発しています。^[25]

IIScで育成されたSpaceFieldsは、2024年9月11日にチャラケレ施設でインド初のエアロスパイクロケットエンジンのテストに成功した。このエンジンは最大推力2000Nを達成し、最適な効率のために高度補正機能を備えている。 ^[26]

• 拡張ノズル
• LASRE  – リニアエアロスパイク SR-71 実験 1997/8 NASA X-33 用
• ロータリーロケット – 会社スペースなしで短い説明を表示するページ
• セイバー - シナジェティックエアブリージングロケットエンジン - ハイブリッドラムジェットとロケットエンジン
• 膨張偏向ノズル

ウィキメディア・コモンズには、エアロスパイクロケットエンジンに関連するメディアがあります。

• エアロスパイクエンジン
• 改良型サターンおよびノヴァブースター向けに計画されている先進エンジン（J-2Tを含む）
• リニアエアロスパイクエンジン — X-33 機の推進力
• ドライデン飛行研究センター 2010年2月25日アーカイブウェイバックマシン
• Aerospike エンジン制御システムの機能とパフォーマンス
• XRS-2200 リニア エアロスパイク エンジンを使用した X-33 姿勢制御
• Bui, Trong; Murray, James; Rogers, Charles; Bartel, Scott; Cesaroni, Anthony; Dennett, Mike (2005)。「高出力固体ロケットを使用したエアロスパイク ノズルの飛行研究」。第41 回 AIAA/ASME/SAE/ASEE 共同推進会議および展示会。doi : 10.2514 /6.2005-3797。ISBN 978-1-62410-063-5。
• エアロスパイクはベルノズルよりも優れていますか?