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最も比推力の高い化学ロケットは液体推進剤（液体推進剤ロケット）を使用する。これらは単一の化学物質（モノ推進剤）または2つの化学物質の混合物（バイプロペラント）で構成される。バイプロペラントはさらに2つのカテゴリに分類される。燃料と酸化剤が接触すると発火する自発性推進剤と、点火源を必要とする非自発性推進剤である。[1]
液体燃料で作られた約170種類の推進剤がテストされていますが、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小さな変更は除きます。米国だけでも、少なくとも25種類の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燃料の選択には多くの要素が関係します。主な要素としては、操作のしやすさ、コスト、危険性/環境、性能などがあります。[引用が必要]
歴史
20世紀初頭の発展
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」の中で液体燃料の使用を提案した。[3] [4]
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、液体燃料ロケットの打ち上げに初めて部分的に成功しました。どちらの推進剤も入手しやすく、安価で、エネルギー効率に優れています。酸素は中程度の寒剤であり、空気は液体酸素タンクに対して液化しないため、過度の断熱材を使用せずにロケット内に LOX を短時間保管することができます。[説明が必要]
ドイツでは、技術者や科学者が1920年代後半に液体燃料ロケットの製造と試験を開始しました。[5]マックス・ヴァリエによると、2機の液体燃料オペルRAKロケットが1929年4月10日と4月12日にリュッセルスハイムで打ち上げられました。 [6]
第二次世界大戦時代
ドイツは第二次世界大戦前と戦時中、戦略的なV-2ロケットと他のミサイルの両方で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液体燃料エンジンを使用し、燃料ポンプを駆動するために過酸化水素を使用した。[ 7] : 9 アルコールはエンジン冷却のために水と混合された。ドイツと米国の両国は、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した再利用可能な液体燃料ロケットエンジンを開発した。 [要出典]
ドイツの軍用ロケットエンジンの大手メーカーであるHWK社[8]は、RLM番号109-500の指定シリーズのロケットエンジンシステムを製造し、過酸化水素を、スタールヒルエロケット推進補助離陸用の一元推進剤として使用しました。 [9]またはMCLOS誘導空海滑空爆弾の推力として使用しました。[10]また、有人戦闘機の推進目的の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とメチルアルコールの燃料混合物の二元推進剤として使用しました。[11]
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液推進剤の組み合わせが使用されました。両方のエンジンは航空機の動力源として使用され、ドイツのワルター509シリーズエンジン設計の場合はMe163コメット迎撃機に使用され、両国のRATOユニット（ドイツ空軍のシュタルトヒルフェシステムなど）は航空機の離陸を支援するために使用されました。これは米国の液体燃料ロケットエンジン技術の場合、主な目的を構成していました。その多くは、米海軍士官ロバート・トラックスの考えから生まれました。[12]
1950年代と1960年代
1950 年代から 1960 年代にかけて、軍に適した高エネルギー液体および固体推進剤を見つけるための推進剤化学者による活動が活発化した。大型戦略ミサイルは、陸上または潜水艦のサイロに何年も保管し、いつでも発射できるようにする必要がある。ロケットの氷がどんどん厚くな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。軍は危険物質を扱い、使用することをいとわなかったため、大量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不適切であると判断された。[要出典]硝酸 の場合、酸自体 ( HNO
3）は不安定で、ほとんどの金属を腐食し、保管が困難でした。適量の四酸化窒素（N
2お
4は混合物を赤くして組成の変化を防いだが、硝酸が入れられた容器を腐食し、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った。画期的なのは、タンク壁の内側に自己密封性の金属フッ化物を形成するフッ化水素(HF) を少量加えたことで、これにより赤く発煙する硝酸が抑制された。これにより、「IRFNA」は保管可能になった。
IRFNAまたは純粋なNに基づく推進剤の組み合わせ
2お
4その後、米国とソ連では、戦略ミサイルや戦術ミサイルに、酸化剤としての炭化水素、灯油または自己発火性アニリン、ヒドラジン、または非対称ジメチルヒドラジン（UDMH）が採用されました。自己発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いくらか低いですが、密度が高いため、同じサイズのタンクに大量の推進剤を入れることができます。ガソリンは、さまざまな炭化水素燃料、[7]、たとえば 高度に精製された灯油であるRP-1に置き換えられました。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。
灯油
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ました。アルコールの主な利点の 1 つは、水分を多く含んでいることで、大型ロケット エンジンの冷却に役立ちました。石油ベースの燃料はアルコールよりもパワーがありましたが、標準的なガソリンと灯油は煤や燃焼副産物が多すぎて、エンジンの配管を詰まらせる可能性がありました。さらに、エチルアルコールのような冷却特性もありませんでした。
1950年代初頭、米国の化学産業は、残留物を残さず、エンジンが冷却された状態を保つことができる改良型の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、1954年までに仕様が確定した。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も少なかった。RP-1は、アトラス、タイタンI、トールなど、初期の米国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RP-1をR-7ミサイルに採用したが、ソ連の打ち上げロケットの大部分は最終的に貯蔵可能な自燃性推進剤を使用した。2017年現在、RP-1は多くの軌道打ち上げ機の 第一段階[update]で使用されている。
水素
初期のロケット理論家の多くは、水素は最も高い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、酸素で酸化すると副産物が水だけになるため、最もクリーンであると考えられています。天然ガスの水蒸気改質は、商業用の大量の水素を生産する最も一般的な方法で、 1998年の世界の生産量5000億m 3の約95%を占めています[13] [14]。[15]高温（700～1100℃）で金属ベースの触媒（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、ロスアラモスの水素爆弾開発計画の一環として 1950 年代初頭に習得されました。ヘリウムは水素よりもさらに沸点が低いため、冷却冷媒としてヘリウムを使用することで、液体水素を沸騰させることなく貯蔵および輸送できます。水素は、冷却設備のない打ち上げロケットに積み込まれた後にのみ、大気中に放出されて失われます。[16]
1950 年代後半から 1960 年代前半にかけて、この技術は、セントールやサターンの上段ロケットなどの水素燃料段に採用されました。[要出典]水素は液体の状態でも密度が低いため、大型のタンクとポンプが必要であり、必要な極寒を維持するにはタンクの断熱が必要です。この余分な重量により、段の質量分率が減少するか、タンクの圧力安定化などの特別な対策を講じて重量を軽減する必要があります。(圧力安定化タンクは、固体構造ではなく内部圧力でほとんどの荷重を支え、主にタンク材料の引張強度を利用します。 [要出典] )
ソ連のロケット計画では、技術的能力の欠如もあって、1980年代のエネルギアコア段階まで液体水素を推進剤として使用しなかった。 [要出典]
上段使用
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も高い比推力を発揮します。この追加性能は、より大きな燃料タンクを必要とする低密度の欠点をほぼ相殺します。しかし、上段アプリケーションで比推力をわずかに増加させると、ペイロードから軌道までの質量が大幅に増加する可能性があります。[17]
灯油との比較
漏れた灯油による発射台火災は、主に次の 2 つの理由から、水素火災よりも被害が大きくなります。
- 灯油は、絶対温度で水素よりも約 20% 高温で燃焼します。
- 水素の浮力。水素は極低温物質であるため、気体としての密度が非常に低いため、すぐに沸騰して上昇します。水素が燃焼しても、気体のH
2生成されるOの分子量は 29.9 AMUに比べてわずか 18 AMUであるため、これもまた急速に上昇します。一方、こぼれた灯油燃料は地面に落ち、大量にこぼれた場合は発火すると何時間も燃え続ける可能性があります。
灯油火災は、時間のかかる修理と再構築を必要とする広範囲の熱損傷を必然的に引き起こします。これは、大型で実証されていないロケット エンジンの点火に携わるテスト スタンドの作業員が最も頻繁に経験します。
水素燃料エンジンには、推進剤ラインを水平に敷設するなどの特別な設計が必要です。これにより、ライン内に「トラップ」が形成されず、限られた空間で沸騰してパイプが破裂するのを防ぐことができます。(同じ注意は、液体酸素や液化天然ガス(LNG) などの他の極低温物質にも適用されます。) 液体水素燃料は、他のすべての実用的な化学ロケット推進剤をはるかに上回る優れた安全性と性能を備えています。
リチウムとフッ素
ロケットエンジンでこれまでに試験発射された中で最も比推力の高い化学物質は、リチウムとフッ素で、排気熱力学を改善するために水素が加えられたものである（すべての推進剤はそれぞれ専用のタンクに入れておく必要があったため、これは三元推進剤となった）。この組み合わせは真空中で542秒の比推力を実現し、これは排気速度5320 m/sに相当する。この化学物質の非実用性は、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21 K）未満に保ち、リチウムを180℃（453 K）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。リチウムは空気に触れると発火し、フッ素は水素を含むほとんどの燃料に触れると発火する。排気ガス中のフッ素とフッ化水素（HF）は非常に有毒であり、発射台周辺での作業を困難にし、環境を破壊し、打ち上げ許可の取得をさらに困難にします。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す。そのため、この組み合わせは一度も飛行したことはありません。[18]
1950 年代、国防総省は弾道ミサイルの推進剤としてリチウム/フッ素を提案した。1954 年に化学工場でフッ素の雲が大気中に放出された事故により、代わりに LOX/RP-1 を使用することになった。[引用が必要]
メタン
液体メタンと液体酸素を推進剤として使用することをメタロックス推進と呼ぶこともある。[19] 液体メタンは液体水素よりも比推力が低いが、沸点と密度が高く、水素脆化がないため貯蔵が容易である。また、灯油に比べてエンジン内に残留物が少なく、再利用に有利である。[20] [21]さらに、火星でのサバティエ反応による生産が可能になると期待されている。NASAの火星設計リファレンスミッション5.0文書（2009年から2012年の間）では、液体メタン/ LOX（メタロックス）が着陸船モジュールの推進剤混合物として選択された。
メタン燃料の利点により、一部の民間宇宙打ち上げ業者は2010年代から2020年代にかけてメタンベースの打ち上げシステムの開発を目指した。各国間の競争はメタロックス軌道競争と呼ばれ、ランドスペースの朱雀2号メタロックスロケットが最初に軌道に到達した。[22] [23] [24]
2024年1月現在[update]、2機のメタン燃料ロケットが軌道に到達しています。他にもいくつかのロケットが開発中であり、2回の軌道打ち上げの試みは失敗しました。
- 朱雀2号は2023年7月12日の2回目の飛行で軌道投入に成功し、メタン燃料ロケットとして初めて軌道投入に成功した。[25] 2022年12月14日の初飛行では軌道投入に失敗していた。ランドスペース社が開発したこのロケットはTQ-12エンジンを搭載している。
- ヴァルカン・ケンタウルスは、 2024年1月8日にCert-1と呼ばれる最初の試みで軌道に到達することに成功しました。[26]ユナイテッド・ローンチ・アライアンスが開発したこのロケットは、ブルーオリジンの BE-4エンジンを使用していますが、第2段にはハイドロロックスRL10を使用しています。
- テラン1号は2023年3月22日の初飛行で軌道打ち上げに失敗しました。Relativity Space社が開発したこのロケットは、 Aeon 1エンジンを使用しています。
- スターシップは2度の失敗を経て、2024年3月14日の3回目の飛行で大気圏外軌道を達成した[27] 。スペースXが開発したこのロケットはラプターエンジンを使用している。
スペースXは、スターシップ超大型ロケット用にラプターエンジンを開発した。 [28]このエンジンは2019年から試験飛行に使用されている。スペースXはこれまで、エンジンに RP-1 /LOXのみを使用していた。
ブルーオリジンは、ニューグレンおよびユナイテッド・ローンチ・アライアンスのバルカン・セントール向けに BE-4 LOX/LNG エンジンを開発しました。BE-4 は 2,400 kN (550,000 lbf) の推力を発揮します。2023 年半ばまでに 2 基の飛行エンジンが ULA に納入されました。
2014年7月、ファイアフライ・スペース・システムズは、エアロスパイクエンジン設計を採用した小型衛星打ち上げロケット「ファイアフライ・アルファ」にメタン燃料を使用する計画を発表した。[29]
ESAは980kNメタロックスプロメテウスロケットエンジンを開発しており、2023年に試験発射された。[30]
モノプロペラント
- 高濃度過酸化物
- 高濃度過酸化水素は、約 2% ～ 30% の水分を含む濃縮過酸化水素です。触媒を通過すると、蒸気と酸素に分解されます。これは、簡単に保管できるため、歴史的に反応制御システムに使用されていました。ターボポンプの駆動によく使用され、 V2 ロケットや現代のソユーズで使用されています。
- ヒドラジン
- エネルギー的に窒素、水素、アンモニアに分解し（2N 2 H 4 → N 2 +H 2 +2NH 3）、宇宙船で最も広く使用されています。（酸化されていないアンモニアの分解は吸熱反応であり、性能を低下させます）。
- 亜酸化窒素
- 窒素と酸素に分解されます。
- スチーム
- 外部加熱の場合、材料の腐食と熱制限に応じて、最大 190 秒の適度に控えめな I spが得られます。
現在の使用
2024年6月現在[update]、一般的に使用されている液体燃料の組み合わせ：
- 灯油（RP-1）/液体酸素（LOX）
- ソユーズ2号ブースターの下段、アトラスVの第1段、エレクトロン、ファルコン9、ファルコンヘビー、ファイアフライアルファの両段 に使用されます。
- 液体水素（LH）/LOX
- スペース・ローンチ・システム、ニューシェパード、H-IIB、GSLV、セントーアの各段階で使用されます。
- 液体メタン（LNG）/LOX
- 朱雀2号の両段、スターシップ（ほぼ軌道上での試験飛行を実施）、およびバルカン・ケンタウルスの第1段に使用されました。
- 非対称ジメチルヒドラジン（UDMH）またはモノメチルヒドラジン（MMH）/四酸化二窒素（NTOまたはN
2お
4） - この燃料の組み合わせは自己燃焼性があり、適度な温度と圧力で長期間保存できるため、ロシアのプロトンブースターの第 1 段 3 段、PSLVおよびGSLVロケット用のインドのVikas エンジン、ほとんどの中国のブースター、多数の軍用、軌道上および深宇宙ロケットで使用されています。
- ヒドラジン（N
2H
4） - 貯蔵可能で自己燃焼性があり、触媒とともに一元推進剤として使用できるため、深宇宙ミッションで使用されます。
- エアロジン 50 (ヒドラジンと UDMH 50/50)
- 貯蔵可能で自己燃焼性があり、触媒とともに一元推進剤として使用できるため、深宇宙ミッションで使用されます。
テーブル
この表は、JANNAF熱化学表（陸軍・海軍・NASA・空軍合同（JANNAF）機関間推進委員会）のデータを全面的に使用しており、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Rocketdyne社が計算した最良の比推力を使用しています。[31]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。
定義
- ヴェ
- 平均排気速度、m/s。異なる単位での比推力と同じ測定で、数値的には N·s/kg 単位の比推力に等しくなります。
- r
- 混合比: 酸化剤質量 / 燃料質量
- Tc
- チャンバー温度、°C
- d
- 燃料と酸化剤の嵩密度、g/cm 3
- C*
- 特性速度、m/s。燃焼室圧力にスロート面積を掛け、質量流量で割った値に等しい。実験用ロケットの燃焼効率をチェックするために使用される。
二元推進剤
いくつかの混合物の定義:
- IRFNA IIIa
- 83.4% HNO 3、14% NO 2、2% H 2 O、0.6% HF
- IRFNA IV HDA
- 54.3% HNO 3、44% NO 2、1% H 2 O、0.7% HF
- RP-1
- MIL-P-25576Cを参照。基本的には灯油（約C
10H
18） - MMHモノメチルヒドラジン
- 中国語
3NHNH
2
NASA の火星ベースのロケット向けの CO/O 2のすべてのデータがあるわけではなく、比推力は約 250 秒のみです。
- r
- 混合比: 酸化剤質量 / 燃料質量
- ヴェ
- 平均排気速度、m/s。異なる単位での比推力と同じ測定で、数値的には N·s/kg 単位の比推力に等しくなります。
- C*
- 特性速度、m/s。燃焼室圧力にスロート面積を掛け、質量流量で割った値に等しい。実験用ロケットの燃焼効率をチェックするために使用される。
- Tc
- チャンバー温度、°C
- d
- 燃料と酸化剤の嵩密度、g/cm 3
モノプロペラント
参考文献
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外部リンク
- Cpropep-Web ロケットエンジンの推進剤の性能を計算するオンラインコンピュータプログラム
- 液体ロケットエンジン熱力学解析設計ツールは、液体燃料ロケットエンジンの性能を予測するためのコンピュータ プログラムです。