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は、液体燃料ロケットエンジンにおける主要な作動サイクルのひとつであり、ガスジェネレータサイクルやオープンサイクルとも呼ばれます。これは、燃料と酸化剤の供給を担うターボポンプを駆動するために、推進剤の一部を利用する方式です。

仕組み

このサイクルの特徴は、ロケットの推力を生み出す主燃焼室とは別に、「ガス発生器」と呼ばれる小型の燃焼室が設けられている点にあります。ここで、主燃焼室へ送られる燃料と酸化剤のごく一部が燃焼されます。この燃焼によって発生した高温・高圧のガスが、ターボポンプを回転させるためのタービンを強力に回します。ターボポンプは、その動力を使って大量の燃料と酸化剤を主燃焼室へと高圧で送り込みます。タービンを回し終えたガスは、そのまま機外へ排出されます。この「使用済みのガスを外部へ捨てる」という点が、このサイクルが「オープンサイクル」と呼ばれる理由です。対照的に、使用済みのガスを再び燃焼室へ送る方式は「クローズドサイクル」と呼ばれます。

メリットとデメリット

ガス発生器サイクルは、他の方式、特に二段燃焼サイクルと比較していくつかの特性があります。最大の利点は、設計や製造の比較的容易さです。二段燃焼サイクルでは、ターボポンプを駆動するためのプレバーナーを高圧で作動させ、さらにそのガスを主燃焼室へ送り込むため、高い圧力に耐えるポンプや配管が必要となり、技術的な難易度が高くなります。しかし、ガス発生器サイクルでは、ターボポンプ駆動後のガスを排出するため、システム全体の圧力をそれほど高くする必要がありません。これにより、ターボポンプやその他のコンポーネントの開発・製造が容易になり、結果として開発期間やコストを抑えることが可能になります。

一方で、いくつかの欠点も存在します。ターボポンプ駆動のためにガス発生器で燃焼させた推進剤は、直接ロケットの推力としては利用されず、外部へ排出されてしまいます。このため、投入した推進剤全体に対する推力の生成効率、すなわち比推力は、使用済みのガスを主燃焼室で再利用する二段燃焼サイクルに比べてやや劣る傾向があります。また、発生させられる最大推力も、二段燃焼サイクルの方が一般的に大きくなります。

採用例

ガス発生器サイクルは、その開発・製造の容易さから、数多くのロケットエンジンで採用されてきました。代表的な例としては、かつてアポロ計画を支えたサターンVロケットの強力な第1段エンジンであるF-1や、その第2段・第3段に使用されたJ-2エンジンが挙げられます。また、欧州のアリアンシリーズにおいても、初期のアリアン1から4で使用されたバイキングエンジンや、アリアン5の第1段エンジンであるヴァルカン、第2段のHM7Bなどもこの方式を採用しています。日本のロケットでは、H-Iロケットの第2段エンジンであるLE-5がガス発生器サイクルです。現代においても、スペースX社のファルコンシリーズに搭載されているマーリンエンジンなど、多くのエンジンでこの信頼性の高いサイクルが用いられています。その他、タイタンロケットのLR-87やLR-91、アトラスロケットのLR-89やLR-105、デルタロケットのMB-3-3やRS-27/27Aなど、世界各国の主力ロケットで広く採用された実績があります。

まとめ

ガス発生器サイクルは、高い信頼性と比較的低コストでの開発・製造が可能であるという利点を持つ一方で、推進剤効率や最大推力では他の先進的なサイクルにやや劣るという特徴を持ちます。それぞれのサイクルの特性を理解し、ミッションの要求性能やコスト、開発期間などを考慮して適切な方式が選択されます。

関連項目:

二段燃焼サイクル
エキスパンダーサイクル
タップオフサイクル
圧送式サイクル
* 電動ポンプサイクル

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