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。燃料蒸気を作用気体としてターボポンプを駆動し、液体燃料と酸化剤を燃焼室に送りロケットの推進を実現する、蒸気機関と内燃機関の複合サイクルエンジンである。

特徴[編集]

燃焼前の液体燃料の一部、又は全部を高温の燃焼室やノズルの周囲へ巡らし、冷却すると共に熱交換で気化した燃料でターボポンプを駆動する方式である。このターボポンプ駆動により、燃料と酸化剤は昇圧されエンジンの燃焼室へ送られる。また、ターボポンプを駆動させた燃料蒸気は主燃焼室に送られる場合と捨てられる場合がある。エキスパンダーサイクルのエンジンでは、熱交換によるガス化が必要なため、液体水素や液化メタンのように沸点が低く、容易に気化する低温燃料英語版が必要とされる[1]

種類として、フルエキスパンダーサイクルとエキスパンダーブリードサイクル等があり、フルエキスパンダーサイクル(クローズサイクル)では、タービン駆動後の全燃料は酸化剤と共に燃焼室に噴射され燃焼するので推進剤を効率的に使用しているように見えるが、燃焼室圧力によってタービン背圧が上がるためタービン効率が低下すると共に燃焼室圧力も上げられないためエンジン効率(比推力)が低く、最大推力も低い。

エキスパンダーブリードサイクル(オープンサイクル)では、タービン駆動後の推進剤は別途排気される[2]。エキスパンダーブリードサイクルでは、タービン駆動用に用いるのは、推進剤の一部のみである。

液体から気体への相変化を伴うため、素朴なフルエキスパンダーサイクルでのエンジン推力は2乗3乗の法則に従う。エンジン推力増大に向け、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、フルエキスパンダーエンジンの最大推力は約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。

いくつかのガス発生器サイクルエンジンでは予燃焼器を点火するまでにエキスパンダーブリードの手法でターボポンプを起動する場合がある。

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[3]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]

エキスパンダーブリードサイクルの模式図。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、駆動に使用した推進剤はそのまま排出される。

2016年現在、日本だけが実用化している高信頼性エンジンサイクルである。日本の液体酸素/液体水素上段エンジンであるLE-5A/LE-5Bは、エキスパンダーブリードサイクルを採用している[2]。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軽減され、効率が向上する。すなわち、タービン排気が燃焼室圧力の悪影響を受けず背圧が低下して、ターボポンプの効率が向上すると共に、主燃焼室も高圧化しやすい[1]ため、フルエキスパンダーサイクルと比較して高効率となる。ただしタービン駆動用の燃料が推力に寄与しないため、推進剤効率は下がり、二段燃焼サイクルに劣る効率となる。一方で構造の簡易さとターボポンプ作用気体の低温化によりエンジン始動時の制御性と信頼性が、二段燃焼サイクルより格段に向上する[2]。液酸/液水エンジンの場合、ガス発生器サイクルと同等の効率(比推力))を実現し、始動性、再着火回数、信頼性を向上する。最大推力も2000KN程度まで可能と見積もられている。

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

脚注[編集]

  1. ^ a b 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
  2. ^ 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。
  3. ^ Pratt & Whitney Space Propulsion – RL60 fact sheet”. 2008年12月28日閲覧。

関連項目[編集]

外部リンク[編集]