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エキスパンダーサイクルは、二元推進剤ロケット エンジンの動力サイクルです。このサイクルでは、燃料はエンジンの燃焼室を冷却するために使用され、熱を吸収して相変化します。加熱されて気体となった燃料は、タービンを駆動してエンジンの燃料ポンプと酸化剤ポンプを駆動し、その後燃焼室に噴射されて燃焼します。
必要な相変化のため、エキスパンダーサイクルは二乗三乗の法則によって推力が制限される。ベル型ノズルを拡大すると、燃料を加熱するノズル表面積は半径の二乗に比例して増加するが、加熱される燃料の体積は半径の三乗に比例して増加する。したがって、推力が約 3000 kN (700,000 lbf) を超えると、タービンを駆動し、ひいては燃料ポンプを駆動するのに十分な燃料を加熱するのに十分なノズル面積がなくなる。[1]バイパスエキスパンダーサイクルを使用すると、燃料の一部がタービンや推力室の冷却通路をバイパスし、メインチャンバーインジェクターに直接進むため、より高い推力レベルを達成できる。非トロイダルエアロスパイクエンジンは、エンジンの線形形状が等尺に拡大縮小しないため、二乗三乗の法則による制限を受けない。燃料流量とノズル面積は、エンジンの幅に比例して拡大縮小する。すべてのエキスパンダーサイクルエンジンは、容易に沸点に達する液体水素、液体メタン、液体プロパンなどの極低温燃料を使用する必要があります。
一部のエキスパンダーサイクルエンジンでは、何らかの ガス発生器を使用してタービンを始動し、推力室の圧力が上昇するにつれて推力室とノズルスカートからの熱入力が増加するまでエンジンを稼働させます。
エキスパンダーサイクルエンジンの例としては、エアロジェット・ロケットダイン RL10やアリアン6のヴィンチエンジンなどがある。[2]
エキスパンダーブリードサイクル
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この動作サイクルは、従来のエキスパンダーサイクルの改良版である。ブリード（またはオープン）サイクルでは、加熱された推進剤をすべてタービンに通して燃焼させるのではなく、加熱された推進剤のごく一部だけを使ってタービンを駆動し、その後ブリードオフして燃焼室を通らずに機外に排出する。残りの部分は燃焼室に注入される。タービン排気をブリードオフすることで、背圧を下げてタービンを通した圧力降下を最大化することで、ターボポンプの効率を高めることができる。標準的なエキスパンダーサイクルと比較すると、タービン排気を排出することで効率を犠牲にしてエンジン推力を高めることができる。[3] [4]
三菱LE-5Aは世界初のエキスパンダーブリードサイクルエンジンとして実用化された。[5]三菱LE-9は世界初の第一段エキスパンダーブリードサイクルエンジンである。[6]
ブルーオリジンは、ニューグレンロケットの上段に使用されているBE-3Uエンジンにエキスパンダーブリードサイクルを選択しました。 [7]
デュアルエキスパンダー
段階的な燃焼をフルフローサイクルで酸化剤と燃料に別々に実装できるのと同様に、エキスパンダーサイクルはデュアルエキスパンダーサイクルとして2つの別々のパスに実装できます。ターボポンプのタービンとポンプ側の液体と同じ化学的性質を持つ高温ガスを使用すると、パージや一部の故障モードが不要になります。さらに、H 2 / LOXの場合のように燃料と酸化剤の密度が大幅に異なる場合、最適なターボポンプ速度が大きく異なるため、燃料ポンプと酸化剤ポンプの間にギアボックスが必要になります。[8] [9]別々のタービンを備えたデュアルエキスパンダーサイクルを使用すると、この故障しやすい機器が不要になります。[9]
デュアルエキスパンダーサイクルは、再生冷却システム上で燃料と酸化剤を別々のセクションで使用するか、冷却に単一の流体を使用し、2番目の流体を沸騰させるために熱交換器を使用することによって実装できます。たとえば、前者の場合、燃料を使用して燃焼室を冷却し、酸化剤を使用してノズルを冷却できます。後者の場合、燃料を使用してエンジン全体を冷却し、熱交換器を使用して酸化剤を沸騰させることができます。[9]
利点
エキスパンダーサイクルは他の設計に比べて多くの利点がある: [要出典]
- 低温
- ガス状になった後の推進剤は通常室温近くになり、タービンにほとんどまたは全くダメージを与えないため、エンジンは再利用できます。対照的に、ガス発生器または段階燃焼エンジンはタービンを高温で作動させます。
- 許容範囲
- RL10の開発中、エンジニアたちはタンクの内側に取り付けられた断熱フォームが壊れてエンジンを損傷するのではないかと心配していました。彼らは、燃料タンクに緩いフォームを入れてエンジンに通すことで、このことをテストしました。RL10 は問題なくフォームを分解し、性能に目立った劣化も見られませんでした。従来のガス ジェネレーターは、実際には小型ロケット エンジンであり、それに伴う複雑さをすべて備えています。ガス ジェネレーターの小さな部品が詰まると、ホット スポットが発生し、エンジンが激しく故障する可能性があります。エンジン ベルを「ガス ジェネレーター」として使用すると、より広い燃料流路が使用されるため、燃料汚染に対する耐性も高まります。
- 本質的な安全性
- ベル型エキスパンダーサイクルエンジンは推力が制限されているため、最大推力条件に耐えられるように簡単に設計できます。他のエンジンタイプでは、燃料バルブの詰まりなどの問題により、予期しないフィードバックシステムが原因でエンジン推力が制御不能に陥ることがあります。他のエンジンタイプでは、このような事態が発生しないように複雑な機械式または電子式コントローラーが必要です。エキスパンダーサイクルは、設計上、そのような誤動作は起こりません。
- より高い真空性能
- 圧力供給エンジンと比較すると、ポンプ供給エンジン、つまりエキスパンダーサイクルエンジンは、燃焼室圧力が高くなります。燃焼室圧力が上昇すると、スロート面積 A thが小さくなり、ノズル出口面積 A eが同じ場合の膨張比 e = A e /A thが大きくなり、最終的に真空性能が向上します。
使用法
エキスパンダーサイクルエンジンには以下のものがあります。
- エアロジェット ロケットダイン RL10 [10]
- プラット・アンド・ホイットニー RL60
- アリアングループ ヴィンチ
- CADBおよびプラット・アンド・ホイットニー RD-0146
- 中国のYF-75D
- 三菱重工業 LE-5A / 5B
- 三菱重工業 LE-9
- エアロジェット ロケットダイン& MHI MARC-60 (MB-60)
- ブルーオリジン BE-3UとBE-7
- アビオ M10
- 機敏な地球周回軌道運用のための実証ロケット（DRACO）核熱エンジン
上段エキスパンダーサイクルエンジンの比較
参照
参考文献
- ^ Popp, Michael; Hulka, James; Yang, Vigor; Habiballah, Mohammed, 編 (2004-01-01).液体ロケットスラストチャンバー. バージニア州レストン: アメリカ航空宇宙学会. p. 636. doi :10.2514/4.866760. ISBN 978-1-56347-223-7。
- ^ 「アリアン6号」www.esa.int . 2017年2月21日閲覧。
- ^ Sippel, Martin; Imoto, Takayuki; Haeseler, Dietrich (2003年7月23日). Studies on Expander Bleed Cycle Engines for Launchers (PDF) . 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. AIAA . 2016年3月3日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2016年9月25日閲覧。
- ^ 渥美 正弘、吉川 公人、小河原 明、恩賀 忠興（2011年12月）。「LE-Xエンジンの開発」（PDF）。三菱重工技報。48 （4）。三菱重工：36–43。2015年12月24日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2016年9月25日閲覧。
- ^ 今野明 (1993年10月). まさかの液体ロケットエンジンの現状と今後の展望。ターボ機械学会/ J- STAGE p. 10. 2021年5月28日のオリジナルよりアーカイブ。2022 年1 月 24 日に取得。
- ^ 松浦真也 (2021年2月2日). H3ロケットの主エンジン「LE-9」熱効率向上で世界初に挑戦。日経ビジネス。 2022年1月24日のオリジナルからアーカイブ。2022 年1 月 23 日に取得。
- ^ 「ニュー・グレン、第2段階のホットファイアを完了」。ブルーオリジン。2024年9月23日。
- ^ Sutton, George P.; Biblarz, Oscar (2000). 「セクション 6.6」。ロケット推進要素: ロケット工学入門(PDF) (第 7 版)。John Wiley & Sons, Inc. pp. 221–227。ISBN 0-471-32642-9. 2016年1月19日時点のオリジナル（PDF）よりアーカイブ。2016年9月26日閲覧。
- ^ abc 米国特許 7,418,814 B1、Greene、William D.、「中間密閉サイクル熱交換器を備えたデュアルエキスパンダーサイクルロケットエンジン」、2008年9月2日発行、米国航空宇宙局長官が代表するアメリカ合衆国に譲渡
- ^ 「Pratt & Whitney Space Propulsion – RL60 ファクトシート」。 2012年3月28日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2008年12月28日閲覧。
- ^ 「New Glenn、第2段階のホットファイアを完了！」。BlueOrigin 。 2024年11月1日閲覧。
- ^ 渡辺大樹;マナコ、ヒロヤス;遠賀忠興。田村 隆;池田和史；磯野光則（2016年12月）。 「H3ロケットブースター段用LE-9エンジンの燃焼安定性向上」（PDF）。三菱重工技報。2024 年 3 月 13 日に取得。
- ^ “RL10 エンジン | Aerojet Rocketdyne”. 2017年4月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年6月6日閲覧。
- ^ Limp, David (2024-11-12). 「BE-3Uのノズルは、およそ時速10,000マイルの速度で水素を豊富に含む蒸気を放出する」Twitter 。 2024年11月29日閲覧。
外部リンク
- ロケットのパワーサイクル