Loading article…
比推力が最も高い化学ロケットは液体推進剤（液体推進剤ロケット）を使用します。これらは単一の化学物質（単一推進剤）または2つの化学物質の混合物（二成分推進剤）で構成されます。二成分推進剤はさらに2つのカテゴリーに分類できます。燃料と酸化剤が接触すると着火する自己着火性推進剤と、着火源を必要とする非自己着火性推進剤です。[ 1 ]
液体燃料から作られた約170種類の推進剤がテストされており、推進剤添加剤、腐食防止剤、安定剤などの特定の推進剤への軽微な変更は除外されています。米国だけでも、少なくとも25種類の異なる推進剤の組み合わせが飛行しています。[ 2 ]
液体燃料ロケットエンジンの推進剤を選ぶ際には、多くの要素が関係する。主な要素としては、操作の容易さ、コスト、危険性/環境、性能などが挙げられる。[ 3 ]
コンスタンチン・ツィオルコフスキーは1903年に、論文「ロケット装置による宇宙探査」の中で液体推進剤の使用を提案した。[ 4 ] [ 5 ]
1926年3月16日、ロバート・H・ゴダードは、液体酸素（LOX）とガソリンを推進剤として使用し、初の部分的に成功した液体推進剤ロケットの打ち上げに成功した[ 6 ]。どちらの推進剤も入手しやすく、安価で、エネルギーが高い。酸素は中程度の極低温物質であり、空気は液体酸素タンクに対して液化しないため、過剰な断熱なしでLOXをロケット内に短時間貯蔵することが可能である。
ドイツでは、1920年代後半に技術者や科学者が液体推進ロケットの製造と試験を開始した。[ 7 ]マックス・ヴァリエによると、 1929年4月10日と4月12日にリュッセルスハイムで2基の液体推進オペルRAKロケットが打ち上げられた。[ 8 ]
ドイツは第二次世界大戦前と戦時中に、戦略ロケットV-2やその他のミサイルのために非常に活発なロケット開発を行っていた。V-2はアルコール/LOX液体推進剤エンジンを使用し、過酸化水素で燃料ポンプを駆動した。[ 9 ]： 9アルコールはエンジンの冷却のために水と混合された。ドイツと米国はともに、LOXよりもはるかに密度の高い貯蔵可能な液体酸化剤と、高密度酸化剤と接触すると自然発火する液体燃料を使用する再利用可能な液体推進剤ロケットエンジンを開発した。
ドイツの軍事用ロケットエンジンの主要メーカーであるHWK 社[ 10 ]は、RLM番号109-500指定シリーズのロケットエンジンシステムを製造し、スターティルフェ ロケット推進補助離陸のニーズのために過酸化水素を単一推進剤として使用したり[ 11 ] 、 MCLOS 誘導空対艦滑空爆弾の推力として使用したり[ 12 ] 、有人戦闘機の推進を目的としたロケットエンジンシステムでは、同じ酸化剤とヒドラジン水和物およびメタノールの燃料混合物の二成分推進剤の組み合わせで使用したりしました[ 13 ]。
米国のエンジン設計では、酸化剤として硝酸、燃料としてアニリンの二成分推進剤が使用されました。どちらのエンジンも航空機の動力源として使用され、ヴァルター509シリーズのドイツ製エンジン設計ではMe 163コメート迎撃機に、また両国のRATOユニット（ドイツ空軍のスターティルフェシステムなど）では航空機の離陸を補助するために使用され、これは米国の液体燃料ロケットエンジン技術の主な目的でした。その多くは、米国海軍士官ロバート・トゥルアックスの発案によるものです。[ 14 ]
1950年代から1960年代にかけて、推進剤化学者たちは軍事用途により適した高エネルギー液体および固体推進剤の開発に精力的に取り組んだ。大型戦略ミサイルは、地上または潜水艦のサイロに長年保管され、いつでも発射できる状態を維持する必要がある。ロケットに厚い氷の層が徐々に形成される原因となる、継続的な冷却を必要とする推進剤は実用的ではなかった。軍は危険物質の取り扱いと使用を厭わなかったため、多くの危険な化学物質が大量に製造されたが、そのほとんどは運用システムには不適当と判断された。硝酸 の場合、酸自体（HNO₃）が3 ) は不安定で、ほとんどの金属を腐食させるため、保管が困難でした。少量の四酸化二窒素、N を2 O4 は混合物を赤くし、組成の変化を防ぎましたが、硝酸が容器を腐食させ、その過程で圧力が上昇する可能性のあるガスを放出するという問題が残りました。画期的なのは、少量のフッ化水素(HF) を添加することで、タンクの壁の内側に自己密封性の金属フッ化物が形成され、赤煙硝酸が抑制されることです。これにより、「IRFNA」を貯蔵できるようになりました。 [ 9 ]
IRFNAまたは純粋なNをベースとした推進剤の組み合わせ2 O4酸化剤として、灯油または自己着火性アニリン、ヒドラジン、または非対称ジメチルヒドラジン(UDMH) を燃料として、米国とソビエト連邦で戦略ミサイルおよび戦術ミサイルに採用されました。自己着火性の貯蔵可能な液体二元推進剤は、LOX/灯油よりも比推力はやや低いものの、密度が高いため、同じサイズのタンクにより多くの推進剤を充填できます。ガソリンは、さまざまな炭化水素燃料に置き換えられました。 [ 9 ]例えば、RP-1–高度に精製された灯油。この組み合わせは、貯蔵する必要のないロケットには非常に実用的です。
ナチス・ドイツが開発したV-2ロケットは、液体酸素とエチルアルコールを使用していた。[ 15 ]アルコールの主な利点の1つは、その水分含有量で、大型ロケットエンジンの冷却に役立った。石油系燃料はアルコールよりも出力が高かったが、通常のガソリンや灯油は煤や燃焼副産物が多すぎてエンジン配管を詰まらせる可能性があった。さらに、エチルアルコールのような冷却特性もなかった。
1950年代初頭、米国の化学産業は、残留物を残さず、エンジンの冷却も確保できる改良型石油系ロケット推進剤の開発を任された。その結果生まれたのがRP-1であり、その仕様は1954年までに確定した。 [ 9 ]高度に精製されたジェット燃料であるRP-1は、従来の石油系燃料よりもはるかにクリーンに燃焼し、爆発性蒸気による地上要員への危険性も低かった。RP-1は、アトラス、タイタンI、ソーなどの初期のアメリカのロケットや弾道ミサイルのほとんどの推進剤となった。ソ連はすぐにR-7ミサイルにRP-1を採用したが、ソ連のロケットの大部分は最終的に貯蔵可能な自己着火性推進剤を使用した。2017年現在それは、多くの軌道投入ロケットの第1段階で使用されている。
初期のロケット理論家の多くは、水素は最高の比推力を与えるため、素晴らしい推進剤になると信じていました。また、酸素で酸化されたときに唯一の副産物が水であるため、最もクリーンな推進剤とも考えられています。天然ガスの水蒸気改質は、 1998年に世界の生産量5000億m3の約95%を占める商業用バルク水素を製造する最も一般的な方法です[ 16 ] [ 17 ][18]。高温（700～1100 ℃）で金属系触媒（ニッケル）の存在下で、水蒸気はメタンと反応して一酸化炭素と水素を生成します。
水素は他の燃料に比べて非常にかさばるため、通常は極低温液体として貯蔵されます。この技術は、1950年代初頭にロスアラモスで行われた水素爆弾開発計画の一環として確立されました。液体水素は、ヘリウムを冷却冷媒として使用することで、沸騰することなく貯蔵および輸送できます。ヘリウムは水素よりも沸点が低いためです。水素は、冷却装置のない打ち上げロケットに搭載された後にのみ、大気中に放出されます。[ 19 ]
1950年代後半から1960年代初頭にかけて、セントールやサターン上段などの水素燃料ロケットに採用された。水素は液体状態でも密度が低いため、大型のタンクとポンプが必要となる。また、必要な極低温を維持するにはタンクの断熱が必要となる。この重量増加はロケットの質量分率を低下させるか、あるいは重量を軽減するためにタンクの圧力安定化などの特別な対策が必要となる。（圧力安定化タンクは、固体構造ではなく内部圧力によって荷重の大部分を支え、主にタンク材料の引張強度を利用する。 ）
ソ連のロケット開発計画は、技術的能力の不足もあって、1980年代のエネルギアロケットのコアステージが登場するまで、液体水素を推進剤として使用しなかった。
液体ロケットエンジンの二元推進剤である液体酸素と水素は、従来のロケットの中で最高の比推力を提供します。この優れた性能は、より大きな燃料タンクを必要とする低密度という欠点を大きく相殺します。しかし、上段用途では比推力がわずかに増加するだけで、軌道投入ペイロード質量を大幅に増加させることができます。[ 20 ]
灯油の流出による発射台火災は、水素火災よりも被害が大きい。主な理由は2つある。
灯油火災は必然的に広範囲にわたる熱損傷を引き起こし、時間のかかる修理と再建が必要となる。これは、大型で未実証のロケットエンジンの燃焼試験に携わる試験台の作業員が最も頻繁に経験する問題である。
水素燃料エンジンは、推進剤配管を水平に配置するなど、特別な設計が必要となる。これは、配管内に「トラップ」が形成されないようにするためであり、トラップが発生すると、密閉空間での沸騰によって配管が破裂する可能性がある。（液体酸素や液化天然ガス（LNG）などの他の極低温燃料にも同様の注意が必要である。）液体水素燃料は、優れた安全性を誇り、その性能は他の実用的な化学ロケット推進剤をはるかに凌駕する。
ロケットエンジンで試験燃焼された中で最も比推力の高い化学反応は、リチウムとフッ素に水素を加えて排気熱力学を改善したものであった（すべての推進剤はそれぞれ別のタンクに保管する必要があったため、これは三元推進剤であった）。この組み合わせは 真空中で542秒の比推力を達成し、[ 21 ]排気速度は5320m /sに相当する。この化学反応の非実用性は、なぜ特殊な推進剤が実際に使用されないのかを浮き彫りにしている。3つの成分すべてを液体にするには、水素を-252 ℃（わずか21K ）以下に保ち、リチウムを180 ℃（453K ） 以上に保つ必要がある。リチウムとフッ素はどちらも極めて腐食性が高い。リチウムは空気と接触すると発火し、フッ素は水素を含むほとんどの燃料と接触すると発火する。フッ素と排気ガス中のフッ化水素（HF）は非常に毒性が強く、発射台周辺での作業を困難にし、環境を破壊し、発射許可の取得をより困難にする。リチウムとフッ素はどちらも、ほとんどのロケット推進剤に比べて高価である。そのため、この組み合わせはこれまで一度も飛行したことがない。[ 22 ]
液体メタンと液体酸素をロケット推進剤として併用することは、メタロックス推進として知られています。[ 23 ]メタンは天然ガスの主成分であり、液体状態ではロケット推進に役立ついくつかの運用特性を備えています。液体水素と比較すると、液体メタンは比推力は低いものの、沸点が高く、密度が高く、水素脆化に対する耐性があるため、貯蔵、輸送、取り扱いが容易です。また、メタンは灯油よりも炭素系残留物が少ないため、再利用可能なエンジンの洗浄および検査要件を軽減できます。[ 24 ] [ 25 ]
サバティエ反応によって火星でメタンと酸素を合成できる可能性は、長期ミッションの計画においても魅力的な要素となっている。NASAの火星設計基準ミッション5.0（2009年～2012年）では、有人着陸機段階の基本構成としてメタンと酸素の混合ガスが採用された。
2010年代から2020年代にかけて、複数の打ち上げサービス提供者がメタン燃料エンジンとロケットの開発を開始した。いくつかの報道機関はこの時期を、メタン推進による初の軌道打ち上げを実現するための「メタロックス競争」と表現した。[ 26 ] [ 27 ]
2026年7月現在 これまでに5基のメタン・酸素ロケットが軌道に到達した。
試験または開発中のその他のメタン・酸素混合燃料車およびエンジンには、以下のようなものがある。
断念された試み：
この表では、JANNAF熱化学表（陸軍・海軍・NASA・空軍合同推進委員会（JANNAF））のデータを使用しており、断熱燃焼、等エントロピー膨張、一次元膨張、平衡移動の仮定の下でロケットダイン社が計算した最高の比推力を示しています。[ 33 ]一部の単位はメートル法に変換されていますが、圧力は変換されていません。
いくつかの混合物の定義：
CO/O 2に関するすべてのデータがあるわけではなく、NASA が火星ロケット用に開発したもので、比推力は約 250 秒です。
1998 年の水素市場の合計は 390×10
9 Nm³/年 + 110×109 Nm³/年の共同生産。