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空気増強ロケットは、ある種のロケットエンジンの超音速排気を利用して、飛行中にラム効果によって集められた空気をさらに圧縮し、追加の作業質量として使用します。これにより、ロケットまたはラムジェット単独よりも、一定量の燃料に対してより大きな有効推力が得られます。[1]
これは、ラムジェットに似たロケット/ラムジェット エンジンのハイブリッド クラスを表しますが、速度ゼロから有効な推力を与えることができ、場合によっては大気圏外で動作することもでき、燃料効率はあらゆる点で同等のラムジェットやロケットよりも劣っていません。
基本的な概念にはさまざまなバリエーションがあり、その結果さまざまな名前が付けられています。ロケットの下流で追加の燃料を燃焼させるものは、一般的にラムロケット、ロケットエジェクター、一体型ロケット/ラムジェット、またはエジェクターラムジェットと呼ばれ、追加の燃焼を含まないものは、エキスパンダーの詳細に応じてダクトロケットまたはシュラウドロケットと呼ばれます。[2]
手術
従来の化学ロケット エンジンでは、ロケットは燃料と酸化剤の両方を機体に搭載します。燃料と酸化剤の化学反応により、ロケットの燃焼室内の圧力と温度で名目上はガスである反応生成物が生成されます。この反応は非常にエネルギーが強く (発熱性)、熱の形で膨大なエネルギーを放出します。このエネルギーは燃焼室内の反応生成物に与えられ、この塊に膨大な内部エネルギーを与えます。このエネルギーはノズルを通して膨張すると、非常に高い排気速度を生み出すことができます。排気はノズルを通って後方に向けられ、前方への推力を生み出します。
この従来の設計では、燃料と酸化剤の混合物が作動質量であると同時に、それを加速するエネルギー源でもある。作動質量の分子量が可能な限り低い場合に最高の性能が得られることは簡単に証明できる。[3]水素はそれ自体が理論上最高のロケット燃料である。これを酸素と混合して燃焼させると、排気質量が上昇し、また、空中に運ばれる質量が大幅に増加して、システム全体の性能が低下する。酸素は水素よりもはるかに重い。
システム全体の性能を向上させる 1 つの方法は、飛行中に燃料または酸化剤を収集することです。燃料は大気中では入手しにくいですが、気体酸素の形の酸化剤は空気の最大 20% を占めています。この事実を利用した設計は数多くあります。このようなシステムは、液体空気サイクル エンジン(LACE) で研究されてきました。
もう一つのアイデアは、作動質量を集めることです。空気増強ロケットでは、従来型のロケットエンジンが、前部が開いた長いチューブの中央に取り付けられます。ロケットが大気中を移動すると、空気がチューブの前面に入り、ラム効果によって圧縮されます。チューブを下るにつれて、空気はさらに圧縮され、ロケットエンジンからの燃料を多く含む排気と混合され、ラムジェットの燃焼器と同じように空気が加熱されます。このようにして、かなり小さなロケットを使用して、通常よりもはるかに大きな作動質量を加速することができ、大気圏内で大幅に高い推力が得られます。
利点
この単純な方法の有効性は劇的です。一般的な固体ロケットの比推力は約 260 秒 (2.5 kN·s/kg) ですが、同じ燃料を空気増強設計で使用すると、これを 500 秒 (4.9 kN·s/kg) 以上に改善できます。これは、高比推力のハイドロロックス エンジンでも匹敵しない数値です。この設計は、ロケット エンジンからの排気がラムジェットよりも空気を圧縮するため、ラムジェットよりもわずかに効率的です。これにより、より長く効率的なノズルを使用できるため、燃焼効率が向上します。もう 1 つの利点は、ロケットは前進速度がゼロでも作動するのに対し、ラムジェットではエンジンに空気を送り込むために前進運動が必要になることです。
デメリット
このような性能向上は広く普及すると予想されるが、さまざまな問題がこれを阻むことが多い。高速エンジンの吸気口は設計が難しく、妥当な性能を達成するには機体上の配置を慎重に決める必要がある。一般的に、機体全体を吸気口の設計に合わせて構築する必要がある。もう 1 つの問題は、ロケットが上昇するにつれて空気が薄くなることである。したがって、追加推力の量はロケットの上昇速度によって制限される。最後に、空気ダクトによってかなりの重量が追加され、燃焼の終わりに向けて機体の速度が大幅に低下する。
バリエーション
覆いをかけたロケット
最もシンプルな空気増強システムは、シュラウドロケットに搭載されています。これは主に、ダクト内に配置されたロケットモーターで構成されています。ロケットの排気ガスは空気を巻き込み、ダクトを通って空気を引き込み、同時に空気と混合して加熱し、ロケットの下流で圧力を上昇させます。その結果生じた高温のガスは、膨張ノズルを通ってさらに膨張します。[2]
ダクトロケット
ダクトロケットはシュラウドロケットのわずかなバリエーションで、収束拡散ノズルのみが追加されています。これにより、燃焼が亜音速で行われるようになり、システムが有効な車両速度の範囲が向上します。[2]
エジェクタラムジェット（その他）
エジェクターラムジェットは、より複雑なシステムで、潜在的に高い性能を持っています。シュラウド付きダクトロケットと同様に、このシステムは空気取り入れ口のロケットエンジンから始まります。混合排気がディフューザーに入り、気流の速度を亜音速まで減速するという点で異なります。その後、追加の燃料が噴射され、この拡張セクションで燃焼します。その燃焼の排気は、従来のラムジェットやダクト付きロケットケースと同様に、収束拡散ノズルに入ります。[2]
歴史
空気増強ロケットの量産に向けた最初の[4]真剣な試みは、1958年7月2日のソビエト大臣の法令708-336によって実施された ソビエトの グノムロケットの設計であった。
最近では、2002年頃にNASAはSSTO宇宙船の開発の一環としてGTXプログラムで同様の技術を再検討しました。[5]
空気増強ロケットは、2016年にメテオ空対空ミサイルが配備され、 ようやく量産に入った。
参照
- 航空記事の索引
- 液体空気サイクルエンジン– 作動質量の代わりに酸化剤を収集
参考文献
引用
- ^ 「Air Augmented」www.scientific.net . 2020年1月21日閲覧。
- ^ abcd Brevig 1968、444ページ。
- ^ 「ロケット推進剤の一般的な特徴」。宇宙ハンドブック。NASA。p. 42。
- ^ 「ノーム」。www.astronautix.com 。2022 年 11 月 23 日に取得。
- ^ 空気呼吸式ロケット技術の開発