液体燃料ロケット
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1d/Liquid_fuel_rocket_ja.png/230px-Liquid_fuel_rocket_ja.png)
歴史
編集ロケットエンジンの構造
編集液体燃料ロケットのエンジンは、燃焼室、噴射器、点火器、ノズル、ポンプ、タービンなどの部分からなっている。
一般に固体燃料ロケットより部品点数は多くなる。
推進剤の供給方式
編集クロスフィード方式
編集液体燃料補助ロケット内の推進剤を1段目の主ロケットに供給する事により、補助ロケット切り離し前に主ロケットの推進剤の消費を抑え、打ち上げ能力を高める。ソビエトのUR-700で計画されたが実現せず、ファルコンヘビーで予定される。
燃焼室やノズルの冷却
編集大量の推進剤が燃焼し、噴射される燃焼室やノズルは極めて高温となるので、耐熱材料を使うだけでは不足であり、より積極的に冷却を行う必要がある。そのために、推進剤の通った配管で取り巻いて熱を奪い、使った推進剤は燃焼に用いる再生冷却、多孔質の材料から推進剤を染み出させて冷却する発汗冷却、冷却したい部分の表面を推進剤の薄い流れで覆って冷やすフィルム冷却などが用いられる。融点が高く熱容量の大きな材料で覆い、その材料の溶融気化や炭化で熱を奪うアブレーション冷却も一部で用いられる。
二液系推進剤の組み合わせ
編集ヒドラジン系
編集液体酸素/ケロシン
編集液体酸素を酸化剤、ケロシンを燃料とするロケットは、燃料の調達も取り扱いも容易であるという理由から古くから用いられてきた。低温の液体酸素を使うため燃料をタンクに貯蔵したまま保存することはできず、比推力はヒドラジン系に勝り後述の液体酸素/液体水素系より劣る。しかし液体酸素/液体水素系より推進剤の密度が大きいために、推力が大きくて寸法が小さく、構造効率の良いロケットを製作できることから、衛星打ち上げロケットの第1段として単体で使用することに向いている。又、1段目で液体酸素/ケロシンロケットをクラスター化し、同エンジン系1基~少数を2段目に採用して、開発工数費用削減と量産効果を狙う、ファルコン9系やヌリなどの例もある(ソユーズロケットもその亜流)。
液体酸素/液体水素
編集液体酸素/液化天然ガス (LNG推進系)
編集リチウム/フッ素
編集これまでに燃焼試験された化学系推進剤の中で最も比推力が高いのは、リチウムと、比推力を向上させるフッ素に水素を加えた組み合わせである。それぞれの推進剤はそれぞれのタンクに貯蔵される三液推進系である。この組み合わせにより真空中での比推力は542秒を得られ噴出速度は5320m/sである。
これほど優れた推進剤が一般的に使用されない理由は、3種類のそれぞれの液体推進剤を水素は-252°C (21K)、リチウムは180°C (453K) で液状に保つ必要があるからである。リチウムとフッ素は両方とも腐食性が強くリチウムは空気と触れるだけで発火し、フッ素は大半の燃料と接触するだけで点火し、水素は自己着火性ではないが爆発の危険がある。排気ガスに含まれるフッ素とフッ化水素(HF)は強い毒性を持ち発射台周辺で作業する事を困難にさせ、環境に悪影響を及ぼし打ち上げの許可を得ることが困難である。ロケットの排気も同様にイオン化されロケットとの無線による通信を妨げる。リチウムとフッ素は高価で希少であり、実際にこのような用途には十分に問題である。この組み合わせで打ち上げられたことはない。
液体水素/液体酸素を推進剤とする1段用ロケットエンジンの比較
編集機種 | SSME | LE-7A | RD-0120 | ヴァルカン | RS-68 | YF-77 |
---|---|---|---|---|---|---|
開発国 | アメリカ合衆国 | 日本 | ソビエト連邦 | 欧州宇宙機関 | アメリカ合衆国 | 中華人民共和国 |
形式 | 二段燃焼サイクル | 二段燃焼サイクル | 二段燃焼サイクル | ガス発生器サイクル | ガス発生器サイクル | |
全高 | 4.24 m | 3.7 m | 4.55 m | 3 m | 5,20 m | |
直径 | 1.63 m | 1.82 m | 2.42 m | 1.76 m | 2,43 m | |
重量 | 3,177 kg | 1,832 kg | 3,449 kg | 1,686 kg | 6,696 kg | |
推進剤 | 液体水素と液体酸素 | 液体水素と液体酸素 | 液体水素と液体酸素 | 液体水素と液体酸素 | 液体水素と液体酸素 | 液体水素と液体酸素 |
主燃料室圧力 | 18.9 MPa | 12.0MPa | 21.8 MPa | 11.4 MPa | 9.7 MPa | 10.2MPa |
真空中比推力 | 453秒 | 440秒 | 454秒 | 433秒 | 409秒 | 438秒 |
真空中での推力 | 2.278MN | 1.098MN | 1.961MN | 1.120MN | 3.37MN | 0.673MN |
地上での推力 | 1.817MN | 1.517MN | 0.800MN | 2.949MN | 0.550MN | |
搭載 | スペースシャトル | H-IIAロケット H-IIBロケット |
エネルギア | アリアンV | デルタ IV | 長征5号 |
液体水素/液体酸素を推進剤とする上段用ロケットエンジンの比較
編集RL-10 | HM7B | Vinci | CE-7.5 | YF-75 | RD-0146 | ES-702 | ES-1001 | LE-5 | LE-5A | LE-5B | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
燃焼サイクル | エキスパンダーサイクル | ガス発生器サイクル | エキスパンダーサイクル | ガス発生器サイクル | ガス発生器サイクル | エキスパンダーサイクル | ガス発生器サイクル | ガス発生器サイクル | ガス発生器サイクル | エキスパンダブリードサイクル (ノズルエキスパンダ) |
エキスパンダブリードサイクル (チャンバエキスパンダ) |
真空中推力 | 66.7 kN (15,000 lbf) | 62.7 kN | 180 kN | 73 kN | 78.45 kN | 98.1 kN (22,054 lbf) | 68.6kN (7.0 tf)[6] | 98kN (10.0 tf)[7] | 102.9kN (10.5 tf) | r121.5kN (12.4 tf) | 137.2kN (14 tf) |
混合比 | 5.2 | 6.0 | 5.5 | 5 | 5 | ||||||
膨張比 | 40 | 40 | 40 | 140 | 130 | 110 | |||||
真空中比推力 (秒) | 433 | 444.2 | 465 | 454 | 437 | 463 | 425[8] | 425[9] | 450 | 452 | 447 |
燃焼圧力 MPa | 2.35 | 3.5 | 6.1 | 5.8 | 3.68 | 7.74 | 2.45 | 3.51 | 3.65 | 3.98 | 3.58 |
LH2ターボポンプ回転数 min-1 | 125,000 | 41,000 | 46,310 | 50,000 | 51,000 | 52,000 | |||||
LOXターボポンプ回転数 min-1 | 16,680 | 21,080 | 16,000 | 17,000 | 18,000 | ||||||
全長 m | 1.73 | 1.8 | 2.2~4.2 | 2.14 | 1.5 | 2.2 | 2.68 | 2.69 | 2.79 | ||
質量 kg | 135 | 165 | 280 | 435 | 550 | 242 | 255.8 | 259.4[10] | 255 | 248 | 285 |
二液式推進剤のデータ
編集組み合わせと最適な膨張率
編集r | 混合比: 酸化剤/燃料 |
Ve | 平均排気速度, m/s. 同じ計測で比推力は異なる単位でN・s/kg。 |
C* | 固有速度, m/s. 燃焼圧力を開口部面積で乗算、流量比で除算 実験ロケットの燃焼効率の確認に使用される。 |
Tc | 燃焼室温度℃ |
d | 燃料と酸化剤の密度 g/cm3 |
68.05atmから1atmへの 最適な膨張 |
68.05atmから0atm(真空中)への 最適な膨張 (ノズル面積比 = 40:1) | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
酸化剤 | 燃料 | 注記 | Ve | r | Tc | d | C* | Ve | r | Tc | d | C* |
LOX | H2 | 一般的 | 3816 | 4.13 | 2740 | 0.29 | 2416 | 4462 | 4.83 | 2978 | 0.32 | 2386 |
H2-Be 49/51 | 4498 | 0.87 | 2558 | 0.23 | 2833 | 5295 | 0.91 | 2589 | 0.24 | 2850 | ||
CH4 | 3034 | 3.21 | 3260 | 0.82 | 1857 | 3615 | 3.45 | 3290 | 0.83 | 1838 | ||
C2H6 | 3006 | 2.89 | 3320 | 0.90 | 1840 | 3584 | 3.10 | 3351 | 0.91 | 1825 | ||
C2H4 | 3053 | 2.38 | 3486 | 0.88 | 1875 | 3635 | 2.59 | 3521 | 0.89 | 1855 | ||
RP-1 | 一般的 | 2941 | 2.58 | 3403 | 1.03 | 1799 | 3510 | 2.77 | 3428 | 1.03 | 1783 | |
N2H4 | 3065 | 0.92 | 3132 | 1.07 | 1892 | 3460 | 0.98 | 3146 | 1.07 | 1878 | ||
B5H9 | 3124 | 2.12 | 3834 | 0.92 | 1895 | 3758 | 2.16 | 3863 | 0.92 | 1894 | ||
B2H6 | 3351 | 1.96 | 3489 | 0.74 | 2041 | 4016 | 2.06 | 3563 | 0.75 | 2039 | ||
CH4/H2 92.6/7.4 | 3126 | 3.36 | 3245 | 0.71 | 1920 | 3719 | 3.63 | 3287 | 0.72 | 1897 | ||
GOX | GH2 | 3997 | 3.29 | 2576 | - | 2550 | 4485 | 3.92 | 2862 | - | 2519 | |
F2 | H2 | 4036 | 7.94 | 3689 | 0.46 | 2556 | 4697 | 9.74 | 3985 | 0.52 | 2530 | |
H2-Li 65.2/34.0 | 4256 | 0.96 | 1830 | 0.19 | 2680 | |||||||
H2-Li 60.7/39.3 | 5050 | 1.08 | 1974 | 0.21 | 2656 | |||||||
CH4 | 3414 | 4.53 | 3918 | 1.03 | 2068 | 4075 | 4.74 | 3933 | 1.04 | 2064 | ||
C2H6 | 3335 | 3.68 | 3914 | 1.09 | 2019 | 3987 | 3.78 | 3923 | 1.10 | 2014 | ||
MMH | 3413 | 2.39 | 4074 | 1.24 | 2063 | 4071 | 2.47 | 4091 | 1.24 | 1987 | ||
N2H4 | 3580 | 2.32 | 4461 | 1.31 | 2219 | 4215 | 2.37 | 4468 | 1.31 | 2122 | ||
NH3 | 3531 | 3.32 | 4337 | 1.12 | 2194 | 4143 | 3.35 | 4341 | 1.12 | 2193 | ||
B5H9 | 3502 | 5.14 | 5050 | 1.23 | 2147 | 4191 | 5.58 | 5083 | 1.25 | 2140 | ||
OF2 | H2 | 4014 | 5.92 | 3311 | 0.39 | 2542 | 4679 | 7.37 | 3587 | 0.44 | 2499 | |
CH4 | 3485 | 4.94 | 4157 | 1.06 | 2160 | 4131 | 5.58 | 4207 | 1.09 | 2139 | ||
C2H6 | 3511 | 3.87 | 4539 | 1.13 | 2176 | 4137 | 3.86 | 4538 | 1.13 | 2176 | ||
RP-1 | 3424 | 3.87 | 4436 | 1.28 | 2132 | 4021 | 3.85 | 4432 | 1.28 | 2130 | ||
MMH | 3427 | 2.28 | 4075 | 1.24 | 2119 | 4067 | 2.58 | 4133 | 1.26 | 2106 | ||
N2H4 | 3381 | 1.51 | 3769 | 1.26 | 2087 | 4008 | 1.65 | 3814 | 1.27 | 2081 | ||
MMH/N2H4/H20 50.5/29.8/19.7 | 3286 | 1.75 | 3726 | 1.24 | 2025 | 3908 | 1.92 | 3769 | 1.25 | 2018 | ||
B2H6 | 3653 | 3.95 | 4479 | 1.01 | 2244 | 4367 | 3.98 | 4486 | 1.02 | 2167 | ||
B5H9 | 3539 | 4.16 | 4825 | 1.20 | 2163 | 4239 | 4.30 | 4844 | 1.21 | 2161 | ||
F2/O2 30/70 | H2 | 3871 | 4.80 | 2954 | 0.32 | 2453 | 4520 | 5.70 | 3195 | 0.36 | 2417 | |
RP-1 | 3103 | 3.01 | 3665 | 1.09 | 1908 | 3697 | 3.30 | 3692 | 1.10 | 1889 | ||
F2/O2 70/30 | RP-1 | 3377 | 3.84 | 4361 | 1.20 | 2106 | 3955 | 3.84 | 4361 | 1.20 | 2104 | |
F2/O2 87.8/12.2 | MMH | 3525 | 2.82 | 4454 | 1.24 | 2191 | 4148 | 2.83 | 4453 | 1.23 | 2186 | |
酸化剤 | 燃料 | 注記 | Ve | r | Tc | d | C* | Ve | r | Tc | d | C* |
N2F4 | CH4 | 3127 | 6.44 | 3705 | 1.15 | 1917 | 3692 | 6.51 | 3707 | 1.15 | 1915 | |
C2H4 | 3035 | 3.67 | 3741 | 1.13 | 1844 | 3612 | 3.71 | 3743 | 1.14 | 1843 | ||
MMH | 3163 | 3.35 | 3819 | 1.32 | 1928 | 3730 | 3.39 | 3823 | 1.32 | 1926 | ||
N2H4 | 3283 | 3.22 | 4214 | 1.38 | 2059 | 3827 | 3.25 | 4216 | 1.38 | 2058 | ||
NH3 | 3204 | 4.58 | 4062 | 1.22 | 2020 | 3723 | 4.58 | 4062 | 1.22 | 2021 | ||
B5H9 | 3259 | 7.76 | 4791 | 1.34 | 1997 | 3898 | 8.31 | 4803 | 1.35 | 1992 | ||
ClF5 | MMH | 2962 | 2.82 | 3577 | 1.40 | 1837 | 3488 | 2.83 | 3579 | 1.40 | 1837 | |
N2H4 | 3069 | 2.66 | 3894 | 1.47 | 1935 | 3580 | 2.71 | 3905 | 1.47 | 1934 | ||
MMH/N2H4 86/14 | 2971 | 2.78 | 3575 | 1.41 | 1844 | 3498 | 2.81 | 3579 | 1.41 | 1844 | ||
MMH/N2H4/N2H5NO3 55/26/19 | 2989 | 2.46 | 3717 | 1.46 | 1864 | 3500 | 2.49 | 3722 | 1.46 | 1863 | ||
ClF3 | MMH/N2H4/N2H5NO3 55/26/19 | ハイパーゴリック推進剤 | 2789 | 2.97 | 3407 | 1.42 | 1739 | 3274 | 3.01 | 3413 | 1.42 | 1739 |
N2H4 | ハイパーゴリック推進剤 | 2885 | 2.81 | 3650 | 1.49 | 1824 | 3356 | 2.89 | 3666 | 1.50 | 1822 | |
N2O4 | MMH | ハイパーゴリック推進剤, 一般的 | 2827 | 2.17 | 3122 | 1.19 | 1745 | 3347 | 2.37 | 3125 | 1.20 | 1724 |
MMH/Be 76.6/29.4 | 3106 | 0.99 | 3193 | 1.17 | 1858 | 3720 | 1.10 | 3451 | 1.24 | 1849 | ||
MMH/Al 63/27 | 2891 | 0.85 | 3294 | 1.27 | 1785 | |||||||
MMH/Al 58/42 | 3460 | 0.87 | 3450 | 1.31 | 1771 | |||||||
N2H4 | ハイパーゴリック推進剤, 一般的 | 2862 | 1.36 | 2992 | 1.21 | 1781 | 3369 | 1.42 | 2993 | 1.22 | 1770 | |
N2H4/UDMH 50/50 | ハイパーゴリック推進剤, 一般的 | 2831 | 1.98 | 3095 | 1.12 | 1747 | 3349 | 2.15 | 3096 | 1.20 | 1731 | |
N2H4/Be 80/20 | 3209 | 0.51 | 3038 | 1.20 | 1918 | |||||||
N2H4/Be 76.6/23.4 | 3849 | 0.60 | 3230 | 1.22 | 1913 | |||||||
B5H9 | 2927 | 3.18 | 3678 | 1.11 | 1782 | 3513 | 3.26 | 3706 | 1.11 | 1781 | ||
NO/N2O4 25/75 | MMH | 2839 | 2.28 | 3153 | 1.17 | 1753 | 3360 | 2.50 | 3158 | 1.18 | 1732 | |
N2H4/Be 76.6/23.4 | 2872 | 1.43 | 3023 | 1.19 | 1787 | 3381 | 1.51 | 3026 | 1.20 | 1775 | ||
IRFNA IIIa | UDMH/DETA 60/40 | ハイパーゴリック推進剤 | 2638 | 3.26 | 2848 | 1.30 | 1627 | 3123 | 3.41 | 2839 | 1.31 | 1617 |
MMH | ハイパーゴリック推進剤 | 2690 | 2.59 | 2849 | 1.27 | 1665 | 3178 | 2.71 | 2841 | 1.28 | 1655 | |
UDMH | ハイパーゴリック推進剤 | 2668 | 3.13 | 2874 | 1.26 | 1648 | 3157 | 3.31 | 2864 | 1.27 | 1634 | |
IRFNA IV HDA | UDMH/DETA 60/40 | ハイパーゴリック推進剤 | 2689 | 3.06 | 2903 | 1.32 | 1656 | 3187 | 3.25 | 2951 | 1.33 | 1641 |
MMH | ハイパーゴリック推進剤 | 2742 | 2.43 | 2953 | 1.29 | 1696 | 3242 | 2.58 | 2947 | 1.31 | 1680 | |
UDMH | ハイパーゴリック推進剤 | 2719 | 2.95 | 2983 | 1.28 | 1676 | 3220 | 3.12 | 2977 | 1.29 | 1662 | |
H2O2 | MMH | 2790 | 3.46 | 2720 | 1.24 | 1726 | 3301 | 3.69 | 2707 | 1.24 | 1714 | |
N2H4 | 2810 | 2.05 | 2651 | 1.24 | 1751 | 3308 | 2.12 | 2645 | 1.25 | 1744 | ||
N2H4/Be 74.5/25.5 | 3289 | 0.48 | 2915 | 1.21 | 1943 | 3954 | 0.57 | 3098 | 1.24 | 1940 | ||
B5H9 | 3016 | 2.20 | 2667 | 1.02 | 1828 | 3642 | 2.09 | 2597 | 1.01 | 1817 | ||
N2H4 | B2H6 | 3342 | 1.16 | 2231 | 0.63 | 2080 | 3953 | 1.16 | 2231 | 0.63 | 2080 | |
B5H9 | 3204 | 1.27 | 2441 | 0.80 | 1960 | 3819 | 1.27 | 2441 | 0.80 | 1960 | ||
酸化剤 | 燃料 | 注記 | Ve | r | Tc | d | C* | Ve | r | Tc | d | C* |
混合比の詳細:
- IRFNA IIIa: 83.4% HNO3, 14% NO2, 2% H2O, 0.6% HF
- IRFNA IV HDA: 54.3% HNO3, 44% NO2, 1% H2O, 0.7% HF
- RP-1: 参照 MIL-P-25576C, 基本 ケロシン (多分 C10H18)
- MMH: CH3NHNH2
沸点
編集燃料 | ||
---|---|---|
・ | 分子式 | 沸点(K) |
アンモニア | NH3 | 240 |
エタノール | C2H5OH | 351 |
水素 | H2 | 20 |
ヒドラジン | N2H4 | 386 |
酸化剤 | ||
. | 分子式 | 沸点(K) |
酸素 | O2 | 90 |
フッ素 | F2 | 85 |
赤煙硝酸 | HNO3 | - |
四酸化二窒素 | N2O4 | 294 |
過酸化水素 | H2O2 | 423 |
一液推進系
編集68.05 atmから1atmにおける 最適な膨張 |
68.05から0atm(真空中)における 最適な膨張 (ノズル面積比 = 40:1) |
|||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
推進剤 | 備考 | Ve | Tc | d | C* | Ve | Tc | d | C* | |
ヒドラジン | 一般的 | |||||||||
100% 過酸化水素 | 一般的 | 1610 | 1270 | 1.4 | 1040 | 1860 | 1270 | 1.4 | 1040 | |
推進剤 | 備考 | Ve | Tc | d | C* | Ve | Tc | d | C* |
脚注
編集- ^ 大澤弘之 監修『新版 日本ロケット物語』p.33–36 2003年9月29日発行
- ^ アルタイル 月面着陸機には実績のあるハイパーゴリック推進剤を使用したエンジンが搭載される予定だった。
- ^ 開発動向
- ^ 開発経緯
- ^ “中国の民間企業、運搬ロケット「朱雀2号遥2」の打ち上げに成功”. AFP通信 (2023年7月12日). 2023年7月13日閲覧。
- ^ 開口比40のノズルスカートを未装着時の推力は48.52kN (4.9 tf)
- ^ 開口比40のノズルスカートを未装着時の推力は66.64kN (6.8 tf)
- ^ 開口比40のノズルスカートを未装着時の比推力は286.8
- ^ 開口比40のノズルスカートを未装着時の比推力は291.6
- ^ 計算値
- ^ ミサイルの本 久保田浪之介 2004年9月30日 初版1刷 日刊工業所新聞発行 ISBN 4-526-05350-3