エキスパンダーサイクル

エキスパンダーサイクル

ロケットエンジンの多様な動作サイクルの中で、エキスパンダーサイクルは特に注目される方式の一つです。これは、推進剤である液体燃料の一部あるいは全部を、高温になる燃焼室やノズルの周囲を循環させることで冷却し、同時にその熱を受けて気化した燃料の蒸気を作用気体としてターボポンプを駆動するという独自の機構を持ちます。このターボポンプの働きにより、液体燃料と酸化剤は高い圧力で燃焼室へと供給され、燃焼によって推進力を生み出します。蒸気機関の原理でターボポンプを動かし、内燃機関で推力を生み出すという、複合サイクルエンジンとも言える構造が特徴です。

原理と仕組み

エキスパンダーサイクルの基本的な原理は、燃料の「再生冷却」と「熱交換によるターボポンプ駆動」にあります。燃焼前の極低温の液体燃料は、まず燃焼室やノズルの壁面を通る冷却経路を循環します。ここで燃焼によって生じる熱を吸収することで、エンジンの主要構造を過熱から守ると同時に、燃料自身が気化・膨張します。この高温・高圧の燃料蒸気がターボポンプのタービンを回し、強力なポンプ作用で燃料と酸化剤を燃焼室へ送り込みます。この熱交換プロセスを効率的に行うためには、液体水素や液化メタンのように沸点が低く、比較的容易に気体となる「低温燃料」が不可欠です。また、このサイクルは自力での始動が可能です。燃料弁を開くと、加圧された燃料が冷却経路に入り、熱を受けて気化・膨張することでタービンが回転を始め、ターボポンプが作動します。これにより、推進剤が燃焼室に供給され、燃焼が開始されます。

種類と特性

エキスパンダーサイクルには、主に「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」の二つの主要な形式があります。

フルエキスパンダーサイクル（クローズサイクル）

フルエキスパンダーサイクルでは、ターボポンプを駆動した後の燃料蒸気を、燃焼室へ酸化剤と共に送り込み、燃焼に完全に利用します。この方式は推進剤を無駄なく使うように見えますが、タービンが燃焼室の高い圧力に逆らって作動するため、タービンの効率が低下しやすいという課題があります。また、燃焼室の圧力を上げようとするとタービンの背圧も上昇し、効率がさらに悪化するため、高い燃焼圧力や大きな推力を得ることが難しいという限界があります。これは、エンジン推力の増加に伴い、ノズル表面積（熱交換面積）が直径の2乗に比例するのに対し、加熱すべき燃料の体積が直径の3乗に比例するという「二乗三乗の法則」に起因します。これにより、十分な燃料を気化させる熱エネルギーを供給できなくなり、フルエキスパンダーエンジンの最大推力は約300kN程度に制限されるとされています。

エキスパンダーブリードサイクル（オープンサイクル、クーラントブリードサイクル）

一方、エキスパンダーブリードサイクルでは、ターボポンプを駆動した後の燃料蒸気の一部または全部を燃焼室に入れず、外部へ排気します。これにより、タービンは低い背圧で効率的に作動できるため、燃焼室圧力を高く設定することが可能となります。この結果、フルエキスパンダーサイクルに比べて高い効率（比推力）を実現できます。ただし、タービン駆動に用いて排気される燃料は推力には寄与しないため、推進剤全体の使用効率という点では、二段燃焼サイクルなどの他のクローズサイクル方式に劣る場合があります。エキスパンダーブリードサイクルは、構造が比較的単純で、ターボポンプの作動温度も低いことから、製造コストを抑えやすく、エンジンの始動制御性や信頼性が高いという利点があります。日本のH-IIロケット用LE-5A/LE-5Bエンジンで世界に先駆けて実用化され、H3ロケットのLE-9エンジンでは1,471 kN級の大推力を実現しており、大推力エンジンへの適用も進んでいます。

フルエキスパンダーサイクルの推力限界を超えるため、一部の燃料を直接燃焼室に送る「バイパスエキスパンダーサイクル」や、二乗三乗の法則の影響を受けにくい直線状の「リニアエアロスパイクエンジン」といった派生・関連技術も存在します。

エキスパンダーサイクルの利点

他の主要なロケットエンジンサイクル（ガス発生器サイクルや二段燃焼サイクルなど）と比較して、エキスパンダーサイクルにはいくつかの明確な利点があります。

1. タービンの耐久性とエンジンの再使用性: ターボポンプを駆動するガスが、ガス発生器や予燃焼器で生成される高温の燃焼ガスではなく、比較的低温の熱交換された燃料蒸気であるため、タービンへの熱負荷が低く、損傷しにくいという特徴があります。これにより、エンジンの信頼性が向上し、特に再使用を前提としたエンジンの設計に適しています。
2. 動作の許容範囲の広さ: 燃料経路がシンプルな再生冷却チャンネルを主とするため、燃料中の不純物などによる影響を受けにくく、比較的設計マージンを広く取れるとされています。
3. 高い安全性: 二乗三乗の法則による物理的な制約から、設計以上の過大な推力が発生しにくく、推力制御も比較的単純な機構で行えるため、複雑な制御システムに起因する誤作動のリスクが低減され、inherently safe（本質的に安全）な特性を持つと言えます。

代表的なエンジンと搭載機

エキスパンダーサイクルを採用した代表的なエンジンとしては、アメリカのPratt & Whitney製RL-10（サターンI、アトラス、デルタロケットなどに搭載）やRL-60、ヨーロッパのAriane 6上段用Vinci、日本のH-IIA/B/H3ロケットに搭載されるLE-5A/LE-5B/LE-9などが挙げられます。これらのエンジンは、その高い信頼性や効率から、特に上段エンジンや惑星探査ミッションなど、高い性能と信頼性が要求される用途で広く用いられています。

エキスパンダーサイクルは、その独特の原理と利点から、今日のロケット開発において重要な位置を占めるエンジンサイクルの一つです。特にエキスパンダーブリードサイクルの進化により、大推力化の可能性も開かれており、今後の宇宙輸送システムにおいても引き続き重要な役割を担うと考えられます。

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