膨張機のサイクル図。ノズルと燃焼室からの熱が燃料ポンプと酸化剤ポンプの動力源となる。 エキスパンダーサイクルは、 二液式液体ロケット エンジンの動力サイクルの一つです。このサイクルでは、燃料がエンジンの燃焼室を冷却するために使用され、その過程で熱を吸収して相変化を起こします。加熱されて気化した燃料はタービンを回転させ、そのタービンがエンジンの燃料ポンプと酸化剤ポンプを駆動した後、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の推力は平方立方則 によって制限されます。ベル型のノズルをスケールすると、燃料を加熱するためのノズル表面積は半径の2乗に比例して増加しますが、加熱される燃料の体積は半径の3乗に比例して増加します。したがって、約3,000 キロニュートン （670,000 ポンド重 ） を超える推力では、タービンを駆動し、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ります。[ 1 ] エアロスパイク エンジンは、エンジンの線形形状が等尺的にスケールしないため、平方立方則による制限を受けません。燃料流量とノズル面積はエンジンの幅に比例してスケールします。膨張サイクルエンジンはすべて、液体水素 、液体メタン 、液体プロパン など、沸点に 容易に達する極低温燃料を 使用する必要がある。
膨張機サイクルエンジンの中には、タービンを始動させ、推力室とノズルスカートからの熱入力が増加して燃焼室圧力が上昇するまでエンジンを運転するために、何らかのガス発生器 を使用するものがある。
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 社のRL10 やアリアン6 用のヴィンチエンジン などがある。[ 2 ]
エキスパンダーのブリードサイクル エキスパンダーのブリードサイクルの図。発生した熱の一部のみがポンプの動力源として利用され、残りは排出される。 エキスパンダーブリードサイクル （エキスパンダーオープンサイクル、クーラントタップオフとも呼ばれる）は、標準エキスパンダーサイクルの改良版で、加熱された推進剤の一部のみがタービンを通過し、燃焼室に入る代わりに船外に排出されます。残りの推進剤は燃焼室に噴射されます。タービン排気をブリードすることで、背圧が 低減され、タービン全体の圧力降下が増加するため、ターボポンプの効率が向上します。標準エキスパンダーサイクルと比較すると、タービンを通過した後に推進剤の一部が廃棄されるため、効率を犠牲にしてエンジンの推力は高くなります。[ 3 ] [ 4 ]
日本の三菱重工業は、 いくつかのエキスパンダーブリードサイクルエンジンを開発しました。同社のLE-5Aは 、1994年にH-II ロケットに搭載されて運用された最初のエキスパンダーブリードサイクルエンジンとなりました。 [ 5 ] -9は、2023年に H3 ロケットに搭載されて運用された最初の第1段用エキスパンダーブリードサイクルエンジンとなりました。[ 6 ]
ブルーオリジンは 、ニューグレン ロケットの上段で使用されるBE-3U エンジンにエキスパンダーブリードサイクルを採用した。 [ 7 ]
デュアルエキスパンダー 段階燃焼を 全フローサイクル で酸化剤と燃料に別々に実装できるのと同様に、膨張機サイクルをデュアル膨張機サイクル として 2 つの別々の経路で実装できます。ターボポンプのタービン側とポンプ側に液体と同じ化学組成の高温ガスを使用することで、パージの必要性といくつかの故障モードがなくなります。さらに、H 2 / LOX の場合のように、燃料と酸化剤の密度が大きく異なる場合、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 ] [ 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 で燃料と酸化剤を別々のセクションに分けるか、冷却に単一の流体を使用し、熱交換器 で2番目の流体を沸騰させることによって実現できます。最初のケースでは、たとえば、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 を冷却することができます。2番目のケースでは、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。
低温 気化した推進剤は通常室温付近の温度であり、タービンへの損傷はほとんど、あるいは全くないため、エンジンを再利用できる。これに対し、ガス発生器式エンジン や二段燃焼式 エンジンは、タービンを高温で運転する。 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剥がれてエンジンを損傷するのではないかと心配していた。彼らはこれをテストするために、緩んだフォームを燃料タンクに入れ、エンジンに通した。RL10は問題なく、性能の目立った低下もなくそれを粉砕した。従来のガス発生器は実際には小型ロケットエンジンであり、それに伴うすべての複雑さがある。ガス発生器のごく一部が詰まるだけでもホットスポットが発生し、エンジンの激しい損失につながる可能性がある。エンジンベルを「ガス発生器」として使用すると、燃料の流れ路が広くなるため、燃料の汚染に対する耐性も非常に高くなる。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容易に設計できます。他のタイプのエンジンでは、燃料バルブの固着などの問題が発生すると、意図しないフィードバックシステムによってエンジンの推力が制御不能になる可能性があります。他のタイプのエンジンでは、このような事態を防ぐために複雑な機械式または電子式の制御装置が必要となります。エキスパンダーサイクルは、設計上、そのような誤動作を起こすことはありません。 より高い真空性能 加圧式エンジン と比較して、ポンプ式エンジン、ひいては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。燃焼室圧力の上昇により、スロート面積 A thを小さくすることができ、その結果、ノズル出口面積 A e が同じ場合、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、以下のものが含まれます。
参考文献 ↑ Popp, Michael; Hulka, James; Yang, Vigor; Habiballah, Mohammed 編 (2004-01-01). Liquid Rocket Thrust Chambers . Reston, VA: American Institute of Aeronautics and Astronautics. p. 636. doi : 10.2514/4.866760 . ISBN 978-1-56347-223-7 。 ↑ 「アリアン6」 。www.esa.int 。 2017年 2月21日 取得 。 ↑ Sippel, Martin; Imoto, Takayuki; Haeseler, Dietrich (2003年7月23日). ロケット用エキスパンダーブリードサイクルエンジンの研究 (PDF) . 第39回AIAA/ASME/SAE/ASEE合同推進会議および展示会. AIAA . 2016年3月3日の オリジナル (PDF)からアーカイブ済み。 2016年9月25日 取得 。 ↑ 渥見正弘、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） . 三菱重工業技術レビュー . 48 （4）. 三菱重工業 ： 36–43 . 2015年12月24日に オリジナル （PDF） からアーカイブ。 2016年9月25日 取得 。 ↑ 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 （日本語）。日本ターボ機械学会/J-STAGE。p.10。2021年5 月28日にオリジナル からアーカイブ。 2022年 1月24日 ↑ 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 （日本語）。日経ビジネス。2022年1月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年 1月23日 閲覧 。↑ 「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。 ↑ サットン、ジョージ P.、ビブラルツ、オスカー (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）。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社、pp . 221–227。ISBN 0-471-32642-9 2016年1月19日にオリジナル（PDF） からアーカイブされました。2016年 9月26日 に取得 。1 2 3 米国 ↑ 「プラット・アンド・ホイットニー宇宙推進システム – RL60 ファクトシート」 。 2012年3月28日に オリジナル （PDF）からアーカイブ済み 。 2008年12月28日 に取得。 ↑ 「ニューグレン、第2段のホットファイアを完了！」 。 BlueOrigin 。 2024年 11月1日 取得 。 ↑ 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 | エアロジェット ロケットダイン" 。2017 年 4 月 30 日に オリジナルからアーカイブされました 。2017 年 6 月 6 日 に取得。 ↑ Limp, David (2024-11-12). "BE-3Uのノズルは時速約10,000マイルの速度で水素を豊富に含んだ蒸気を放出します" . Twitter . 2024-11-29 に閲覧。 
