スペースXのロケットエンジン

2002年の設立以来、スペースXは宇宙輸送の低コスト化と高性能化を目指し、複数の系統にわたる革新的なロケットエンジンを開発してきました。これまでに実用化された主要なエンジンには、ケロシンを燃料とするマーリンやケストレル、長期保存可能なハイパーゴリック推進剤を使用するドラコとスーパー・ドラコがあり、現在は火星移住計画を見据えたメタン燃料エンジン、ラプターの開発が進められています。

エンジン開発の歴史

スペースXは設立後の最初の10年間で、様々な形式の液体燃料ロケットエンジンを生み出しました。これらのエンジンは、同社の初期ロケットであるファルコン1から、主力機であるファルコン9や大型のファルコンヘビー、そして物資・人員輸送用のドラゴン宇宙船に至るまで、多岐にわたる機体に使用されています。ロケットの主エンジンには、安価で扱いやすいケロシン（RP-1）と液体酸素（LOX）の組み合わせを推進剤として採用。一方、機体の姿勢を細かく制御するためのエンジンには、長期間安定して保管できるハイパーゴリック推進剤が用いられました。

2012年11月には、それまでのケロシン系とは異なる、メタンを燃料とする次世代エンジンの開発構想が発表されました。このメタンエンジンは、旧ソ連のNK-33エンジンのような、より高い効率を実現可能な二段燃焼サイクルを採用することが計画されました。

ケロシンベースエンジン

スペースXが開発したケロシン燃料エンジンは、主にマーリン1とケストレルの2系統が存在します。さらに大型化・高性能化を目指したマーリン2という設計も検討されました。マーリン1は、当初ファルコン1の第1段エンジンとして使用され、その後ファルコン9やファルコンヘビーでは第1段および第2段の主エンジンとして広く採用されました。技術実証機「グラスホッパー」にも搭載されています。ケストレルはファルコン1の第2段専用エンジンでした。

マーリン1

ファルコン9の主エンジンとして開発されたマーリン1は、液体酸素とRP-1を推進剤とするロケットエンジンです。2003年から2012年にかけて改良が重ねられました。

マーリン1A/1B: 初期型で、アブレーション冷却式の炭素繊維複合材ノズルを採用。1Aはファルコン1の最初の2回の打ち上げに使用されました。1Bはターボポンプが強化されましたが、実機には搭載されず1Cへ移行しました。
マーリン1C: 再生冷却式のノズルと燃焼室を採用。2007年にエンジン単体での燃焼試験を完了。2008年8月のファルコン1打ち上げで初飛行し、同年9月には民間開発ロケットとして初めて低軌道到達に成功した際に使用されました。ファルコン9初期型にも搭載されました。
* マーリン1D: 2011年から2012年に開発され、再生冷却式。真空中推力は690 kN、真空中比推力は310秒、燃焼室圧力は9.7 MPaに向上しました。特に、推力を100%から70%まで調整できるスロットリング能力を備えています。エンジンの推力重量比は150:1と、当時開発されたエンジンの中で最高水準に達しました。

マーリン1Dはファルコン9 v1.1の初飛行でデビューしました。2013年9月の打ち上げでは、第1段エンジンのマーリン1Dを再点火して制御落下させることで、将来的なロケット再使用に向けた重要なデータ取得にも貢献しました。

ケストレル

ファルコン1の第2段エンジンとして開発されたケストレルは、LOX/RP-1推進剤を使用しますが、マーリンと異なりターボポンプを持たない加圧供給式です。燃焼室に接続されたタンクの圧力のみで推進剤を送り込みます。マーリンと同様にピントル式インジェクターを備えますが、ノズルはアブレーション冷却式です。燃焼室とノズル下部は高張力のニオブ合金製で、放射冷却されます。ピッチ軸とヨー軸の推力偏向は、エンジン上部の電動アクチュエータで行われ、ロール軸制御や慣性飛行時の姿勢制御にはヘリウム低温ガススラスターが使用されました。

メタンベースエンジン

ケロシン系エンジンの開発がある程度確立した2012年、メタン/液体酸素（メタロックス）を推進剤とする次世代エンジンの開発が公にされました。スペースXはこのメタロックスエンジンを、将来の火星探査という野心的な目標達成に向けた新型ロケットのために開発しています。既存のファルコン9やファルコンヘビーにメタロックス燃料の上段エンジンを搭載する計画はありません。

ラプター

ラプターは、2000年代末から開発が始まったメタン/液体酸素エンジンです。当初は液体水素/液体酸素の組み合わせも検討されましたが、2009年に「ラプター」という名称が初めて言及された際には、すでに上段エンジンの概念としてメタロックスが候補となっていました。

2013年10月には、メタンを燃料とするラプターエンジンの開発計画が具体化し、当初は真空中推力2.94 MNを目指すことが協議されました。2014年2月、ラプターは新しい上段ステージだけでなく、直径10m級の超大型輸送システム「インタープラネタリー・トランスポート・システム」の主エンジンとして使用されることが発表されます。この巨大ロケットのブースターコアには、ファルコン9と同様に9基のラプターエンジンが搭載される構想でした。後に、開発作業は小型版ではなく、この超大型ロケット向けのエンジンに集中することが明らかにされました。

ラプターは、既存のガス発生器サイクルを採用するマーリンエンジンとは異なり、高効率かつ理論的に高い信頼性を持つフルフロー二段燃焼サイクルを採用する予定です。2014年2月時点では、真空中推力4.4 MN、真空中比推力363秒を目指して設計されていました。技術要素の試験は2014年5月に開始され、最初の試験部品は単体の噴射装置でした。

フルフロー二段燃焼サイクルは、燃料と酸化剤の全量がそれぞれのターボポンプを駆動してから燃焼室に入る方式です。燃焼室に入る前には両推進剤は完全に気化しています。この方式は、タービン間のシールの問題を解消し、ポンプシステム圧力を低減して寿命や故障リスクを低減する、燃焼圧力を高めて性能を向上させる、といった利点を持つと期待されています。

ハイパーゴリックエンジン

瞬間的に着火するハイパーゴリック推進剤を用いるエンジンとして、以下の2系統が開発されています。

ドラコ

ドラコは、モノメチルヒドラジンを燃料、四酸化二窒素を酸化剤とするハイパーゴリック液体推進剤エンジンです。1基あたり約400 Nの推力を発生します。主にファルコン9の第2段や、ドラゴン宇宙船の姿勢制御スラスターとして使用されています。

スーパー・ドラコ

スーパー・ドラコは、標準的なドラコの200倍以上となる約67,000 Nという非常に強力な推力を持つエンジンです。これはファルコン1第2段のケストレルエンジンの2倍、マーリン1Dのおよそ9分の1の推力に相当します。スーパー・ドラコは、有人宇宙船ドラゴン2に搭載される緊急脱出システム（LAS）の主エンジンとして重要な役割を果たしています。また、計画が中止された火星探査機レッド・ドラゴンでは、軟着陸のための降下エンジンとして使用される予定でした。

これらのエンジンの開発と運用は、スペースXのロケットおよび宇宙船の成功を支える基盤となっています。

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