自己加圧

自己加圧とは、ロケット内の液体燃料を加圧するために自己生成ガス推進剤を使用することである。従来の液体燃料ロケットは、ほとんどの場合、ヘリウムなどの他のガスで加圧されており、それを使用するには配管や制御システムとともに加圧剤タンクを運ぶ必要がある。自己加圧は、タイタン34D、^[1]スペースシャトル、^[2]スペース・ローンチ・システム、^[3]スターシップで運用されている。^{[4]自己加圧は}、ニュー・グレン、^[5]テラン1 ^[6]およびロケット・ラボのニュートロン・ロケットで使用される予定である。^[7]

背景

推進剤がタンクから排出されると、タンク内の圧力を維持するために、空いた空隙を何かで満たす必要があります。これには 2 つの理由があります。1 つ目は、ロケットエンジンではターボポンプのキャビテーションを防ぐために最低限の入口圧力が必要であり、2 つ目は、ロケットでは通常、構造強度を確保するためにタンクを加圧する必要があることです。

自生加圧では、少量の推進剤が加熱されてガスに変わる。その後、そのガスは、供給元の液体推進剤タンクに戻される。これにより、液体推進剤をロケットエンジンに供給するのに必要な圧力に保つことができる。^[8]これは、ロケットエンジンシステムのガス発生器によって実現される。ガス発生器から供給されるか、熱交換器を介して供給されるか、または電気ヒーターを介して供給される。^{[9]自生加圧は、1968年までに}タイタンブースターですでに使用されており、 RL10エンジンでテストされ、上段エンジンに適していることが実証されていた。 ^[10]

従来、タンクの加圧は、ヘリウムや窒素などの高圧不活性ガスによって行われてきました。自己加圧は、ヘリウムや窒素を使用するよりも簡単かつ複雑であると言われていますが、大きな利点があります。第一に、火星への行き来や着陸などの長期宇宙飛行や惑星間ミッションに適しています。不活性ガスを使用しないことで、エンジンを非ポンピングモードで始動できます。同じ気化ガスを一元または二元推進剤の姿勢制御に使用できます。機内の酸化剤と燃料を再利用することで、不活性ガスによる可燃物の汚染も軽減されます。^[10]

リスク低減のメリットは、高圧貯蔵容器の必要性を減らし、燃料と酸化剤システムを完全に分離し、加圧サブシステム（例：SpaceX CRS-7 ）を介した故障の可能性を排除することから生まれます。このシステムはまた、部品と推進剤の重量を減らし、チャンバー圧力を高めることでペイロード容量を増加させます。^[10]

自生加圧の主なリスクは、推進剤が揺れるとアレージが崩壊しやすいことです。宇宙船の操縦中などにアレージガスが液体推進剤と混ざると、冷却されて液体に凝縮し、突然の圧力低下を引き起こします。^[11] そのため、自生加圧は、一定方向の加速下で作動するブースターエンジンには適していますが、無重力操縦で区切られた複数のエンジン燃焼がある場合には使用が困難です。

RS -25エンジンは、スペースシャトルの外部タンク内の燃料圧力を維持するために自生加圧を採用した。^[12]

参考文献

^ インマン、アーサー E; ミュールバウアー、ジョン G. (1980)。「タイタン液体ブーストモジュールによるシャトル性能向上」。宇宙会議議事録。1980 年 (第 17 回) テクノロジーの新時代: 66–76 ページ。
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^ HQ Yang、Brandon Williams（2023年1月25日）。激しい横方向のスロッシングによるウラージ崩壊の検証。AIAA科学技術フォーラム。メリーランド州ナショナルハーバー。
^ 「外部タンク」NASA 2019年4月15日閲覧。

[1] インマン、アーサー E; ミュールバウアー、ジョン G. (1980)。「タイタン液体ブーストモジュールによるシャトル性能向上」。宇宙会議議事録。1980 年 (第 17 回) テクノロジーの新時代: 66–76 ページ。

[2] 「HSF – The Shuttle」. spaceflight.nasa.gov . 2001年2月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年4月19日閲覧。

[3] クラーク、スティーブン。「SLSパスファインダーステージがフロリダの発射場に到着 – Spaceflight Now」。2020年4月19日閲覧。

[4] ラルフ・エリック（2019年5月9日）。「SpaceXのスターホッパー、ホップテストの準備が進む中、スラスターポッドを搭載」TESLARATI 。 2020年4月19日閲覧。

[5] 「新しい Glenn ペイロードユーザーガイド」。

[6] 「Full Page Reload」。IEEE Spectrum: テクノロジー、エンジニアリング、サイエンスニュース。2019年10月25日。 2020年4月19日閲覧。

[7] 「マンリー、スコット。『ロケットラボのニュートロンロケットの革新的なデザインをロケットラボのCEOピーター・ベックが解説』」。YouTube 。 2021年12月21日。

[trati20200402-8] Ralph, Eric (2020年4月2日). 「SpaceX StarshipにTeslaのバッテリーパックとモーターが搭載」Teslarati . 2020年4月19日閲覧。

[9] ラルフ・エリック（2019年10月24日）。「SpaceXは、スターシップMk1が2019年末までに「スカイダイバー」着陸をテストすると述べている」。Teslarati 。2020年4月19日閲覧。

[christian1968-10] Christian, C.; Lehmann, E.; Ruby, L. (1968 年 6 月 10 日)、「宇宙船推進システムの自動加圧」、第 4 回推進合同専門家会議、合同推進会議、アメリカ航空宇宙学会、doi :10.2514/6.1968-626

[11] HQ Yang、Brandon Williams（2023年1月25日）。激しい横方向のスロッシングによるウラージ崩壊の検証。AIAA科学技術フォーラム。メリーランド州ナショナルハーバー。

[system_ET-12] 「外部タンク」NASA 2019年4月15日閲覧。