エキスパンダーサイクル

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フルエキスパンダーサイクルの模式図。ノズルと燃焼室から熱を受け取った推進剤でターボポンプを駆動する。

エキスパンダーサイクル(Expander cycle)とは二液推進系ロケットエンジンの動作サイクルの1つである。

特徴[編集]

燃焼前の推進剤を高温の燃焼室やノズルの周囲へ巡らし、熱交換でエネルギーを受け取った後のガス化した推進剤でターボポンプを駆動する。ターボポンプを駆動した後の推進剤は主燃焼室に送られて燃焼される。始動時の出力でターボポンプが駆動され、燃料と酸化剤はポンプによって昇圧されエンジンの燃焼室へ送られる。フルエキスパンダーサイクル(クローズサイクル)では、タービン駆動後の燃料は酸化剤と共に燃焼室に噴射され燃焼することによって推進剤を効率的に使用し、 ブリードエキスパンダーサイクル(オープンサイクル)では、タービン駆動後の燃料は別途排気される[1]。ブリードエキスパンダーサイクルでは、タービン駆動用に、加熱されるのは燃料の一部のみである。

液体から気体への相変化を伴うため、エキスパンダーサイクルでの推力は2乗3乗の法則に従う。推力増大に向け、ベル型ノズルを大型化すると(燃料を膨張させるための熱も抽出している)ノズルの表面積は直径の二乗に比例して増える。しかしながら、加熱しなければならない燃料の体積は三乗に比例する。そのため、エンジンの最大の推力規模は約300kNと目され、それ以上はノズルの開口部を大きくしても、燃料ポンプのタービンを駆動するために必要な燃料を充分に加熱することが出来ない。一部の燃料を、タービンや燃焼室の冷却用途に用いず、直接主燃焼室に噴射するバイパスエキスパンダーサイクルでは、より高推力が得られる。リニアエアロスパイクエンジンでは直線状のエンジンの形状によって2乗3乗の法則から逃れており、エンジンの幅が増えると、加熱するべき燃料の体積と受け取れる熱エネルギーも比例して増えため、任意の規模のエンジンを造ることが出来る。全てのエキスパンダーサイクルのエンジンは液体水素や液化メタンや液化プロパンのように沸点が低く、容易に気化する低温燃料英語版の使用が必要とされる。

いくつかのエキスパンダーサイクルのエンジンではタービンの始動と燃焼室やノズルスカートからの熱が充分得られるまでにガス発生器を使用する場合がある。

代表的なエキスパンダーサイクルのロケットエンジンとしてはPratt & Whitney RL-10RL-60[2]アリアン5の上段用に開発されているVinci[1]があげられる。

エキスパンダーブリードサイクル[編集]

日本の液体酸素/液体水素上段エンジンであるLE-5A/LE-5Bでは、エキスパンダーブリードサイクルを採用している[1]。エキスパンダーブリードサイクルでは、燃焼圧を上げることが難しいエキスパンダーサイクルの欠点がいくらか軽減され、推力の向上が比較的容易となっている。すなわち、タービン排気が主燃焼室燃焼圧の影響を受けず背圧の問題が少ないため、ターボポンプの高出力化がしやすく、主燃焼室内にタービン排気を入れないため、こちらも高圧化しやすい[3]。フルエキスパンダーサイクルと比較して高推力を得やすいが、タービン駆動用の燃料が推力に寄与しないため、推進剤効率は下がる。タービンポンプ駆動用の燃料を考慮しても、燃焼圧向上による効率向上の効果は大きく、エキスパンダーブリードサイクルの効率はエキスパンダーサイクルを上回るとされる。また、構造の簡易さによりエンジン始動時の制御も、二段燃焼サイクルより相対的に容易とされる[1]。ただし、ターボポンプを駆動する水素ガスの温度上昇を熱交換のみに頼っているために他のサイクルと比較して大推力エンジンに適さないのはフルエキスパンダーサイクルと同様である。

用途[編集]

エキスパンダーサイクルのエンジン
エキスパンダーサイクルエンジンの搭載機
エキスパンダーブリードサイクルのエンジン
エキスパンダーブリードサイクルエンジンの搭載機

関連項目[編集]

脚注[編集]

  1. ^ a b c 渥美正博ほか (2011年). “LE-X エンジン開発へ向けた取り組み”. 三菱重工技報 Vol.48 No.4. 2015年11月30日閲覧。
  2. ^ Pratt & Whitney Space Propulsion – RL60 fact sheet”. 2008年12月28日閲覧。
  3. ^ ロケットの実際,JAXA宇宙科学研究所 宇宙飛翔工学研究系教授 松永三郎

リンク[編集]