
液体ロケットエンジンのパワーヘッド(またはパワーパック)とは、ターボポンプ、プレバーナー/ガス発生器、および非加圧式エンジンサイクルに必要なすべての機器から構成されるロケットエンジンのセクションの総称であり、燃焼室と膨張ノズルは除きます。[ 1 ] [ 2 ]
パワーヘッドの主要構成要素は、推進剤の圧力をタンクからインジェクターレベルまで上昇させるターボポンプ、タービンを駆動するための比較的低温の作動ガスを生成するガス発生器または1つ以上のプレバーナー、そして推進剤をそれらの間を移動させ、主燃焼室(閉サイクルの場合)または船外(開サイクルの場合)へ導くダクト、マニホールド、バルブである。[ 3 ]
パワーヘッドの複雑さは、エンジンの熱力学サイクルによって大きく左右されます。開放型ガス発生器サイクルでは、推進剤のごく一部が燃焼され、タービン排気は船外に排出されるため、機械的には単純ですが、やや効率の低いパワーヘッドとなります。二段燃焼サイクルでは、予燃焼器のガスが主燃焼室に送られるため、性能は向上しますが、より高い圧力、より厳しいシール、より慎重な材料選択が求められます。全流量二段燃焼サイクルでは、推進剤の全流量が2つの予燃焼器(1つは燃料過剰、もう1つは酸化剤過剰)を通過し、それぞれが独自のターボポンプを駆動します。タービン負荷を全推進剤流量に分散させることで、タービン入口温度は従来の二段燃焼よりも低くなります。[ 3 ] [ 4 ]
RS -25は、燃料過剰の閉鎖型二段燃焼サイクルを採用した。その動力部(2つのプレバーナー、ホットガスマニホールド、メインインジェクター、そして2つの高圧ターボポンプがボルトで固定されている)は、耐久性を向上させるため、シャトル計画中に繰り返し再設計され、1995年には2ダクトホットガスマニホールドが導入され、高圧酸化剤ターボポンプが再設計され、メイン燃焼室は大口径になった。[ 5 ] [ 6 ]
統合パワーヘッドデモンストレーター(IPD)は、1990年代半ばから2000年代にかけて、プラット・アンド・ホイットニー・ロケットダインとエアロジェットを主契約者として実施されたNASA/空軍研究所の共同技術プログラムでした。これは、従来の転がり軸受の代わりにターボポンプに静圧軸受を使用した水素/酸素フルフロー二段燃焼サイクルの地上デモンストレーターで、推力は1.1 MN(250,000 lbf )でした。 [ 4 ]主力プレバーナーと酸化剤ターボポンプのコンポーネントテストは、 2002年から2003年にかけてジョン・C・ステニス宇宙センターのE-1スタンドで行われ、その後、デモンストレーター全体の統合テストが行われ、2006年7月12日に100%出力レベルに達しましたが、飛行用エンジンは開発されませんでした。[ 7 ] [ 4 ]
プラット・アンド・ホイットニー・ロケットダインがコンステレーションおよびスペース・ローンチ・システム計画向けに開発したJ-2X上段エンジンでは、NASAは専用のパワーパックアセンブリ、PPA1A(2008年に従来のJ-2Sターボ機械を使用してテスト)とPPA2(2012年に新しいJ-2Xハードウェアを使用してテスト)を使用して、推力室とは独立してターボポンプ、ガス発生器、ダクトの特性を評価した。[ 8 ] 2012年6月8日、ステニスA-1テストスタンドでの1,150秒間のPPA2の燃焼は、同センターのAテスト複合施設の燃焼時間記録を樹立した。以前の記録は、1989年8月のSSMEテストの1,075秒であった。[ 9 ]
ブルーオリジンは、BE-4メタン/酸素エンジンの開発中に、並行してフルスケールのパワーパックとインジェクターのテストプログラムを実行しました。SpaceNewsは、パワーパックを「インジェクターと燃焼室に適切な燃料/酸化剤混合気を供給するバルブとターボポンプのセット」と説明しました。2017年5月13日、同社は西テキサスのテストスタンドの1つでパワーパックのテストハードウェアを紛失しましたが、このような事故は「開発中は珍しいことではない」と述べています。[ 10 ]
SpaceXのラプターは、メタン/酸素フルフロー二段燃焼サイクルエンジンであり、 2023年4月にスターシップ・スーパーヘビーに搭載されて飛行した際に、このサイクルのエンジンとして初めて飛行中の乗り物に動力を供給した。[ 11 ]
燃焼室とその関連機器および構造は、しばしば
パワーヘッド
と呼ばれる。
エンジンの基幹とみなされるパワーヘッドは、メインインジェクターと 2 つのプレバーナー、つまり小型の燃焼室で構成されています。
は、エンジンの上部にあるコンポーネントで構成されており、ガス発生器、酸素および燃料ターボポンプ、推進剤をまとめて燃焼させ推力を発生させる関連ダクトおよびバルブなどが含まれます。