タップオフサイクル

タップオフサイクル（combustion tap-off cycle）とは、液体燃料ロケットエンジンにおいて、燃料や酸化剤といった推進剤を効率よく燃焼室へ送り込むためのターボポンプを駆動する方式の一つです。この方式の根幹を成すのは、実際にロケットの推進力を生み出す主燃焼室で発生した高温・高圧の燃焼排ガスを分岐させ、そのエネルギーを利用してタービンを回し、ターボポンプを駆動するという点です。

仕組みと分類

液体燃料ロケットは、大量の推進剤を極めて短い時間で燃焼させる必要があります。そのため、推進剤を燃焼室へ高圧で供給するためのポンプが不可欠であり、多くの場合、タービンでポンプを動かすターボポンプシステムが用いられます。タップオフサイクルでは、このタービンを動かすエネルギー源として、メインの燃焼室から取り出した排ガスが使われます。

ロケットエンジンの燃焼サイクルは、タービンを駆動した後のガスをどのように処理するかによって大きく分類されます。推進剤の全量が最終的にノズルから噴射されて推力となる方式をクローズドサイクル（閉サイクル）と呼ぶのに対し、タービン駆動に使われたガスの一部または全部を途中で排出する方式はオープンサイクル（開サイクル）と呼ばれます。タップオフサイクルは、タービンを回した排ガスを推進力には利用せずそのまま放出するため、オープンサイクルに分類されます。

他のサイクルとの比較

オープンサイクルに属する代表的な方式として、他にガス発生器サイクルがあります。ガス発生器サイクルもタービン駆動に燃焼ガスを利用しますが、これは主燃焼室とは別に設けられた小型の「ガス発生器」内で、少量の燃料と酸化剤を不完全燃焼させて生成されるガスを用いるのが特徴です。

これに対し、タップオフサイクルは専用のガス発生器を持たず、主燃焼室の排ガスを直接利用します。このため、副燃焼室が不要となり、エンジン全体のシステム構成がより単純化されるという構造上の利点があります。

開発と採用例

タップオフサイクルの概念は古くから存在し、過去にも実用化に向けた開発が行われました。例えば、1960年代後半に開発が開始されたアメリカのJ-2Sエンジン（サターンVロケットのJ-2エンジンの改良型）でこの方式が採用され、延べ30,000秒以上に及ぶ地上燃焼試験が成功裏に実施されました。しかしながら、このJ-2Sエンジンの開発計画は、その後に中止されています。

近年、この方式が再び注目され、実用化に至った例として、アメリカの宇宙企業ブルーオリジン社が開発したBE-3エンジンがあります。BE-3エンジンは、同社が開発・運用する弾道飛行システム「ニューシェパード」の上段エンジンとして使用されています。

ブルーオリジン社は、BE-3エンジンにタップオフサイクルを採用した理由として、専用のガス発生器が不要であることによる構造の簡素さや、エンジンの停止操作が比較的容易である点を挙げています。これらの特性は、特に安全性が重視される商業有人宇宙飛行に適しているとされています。

課題

タップオフサイクルには構造単純化などの利点がある一方、技術的な課題も存在します。最大の課題の一つは、エンジンの起動プロセスです。ターボポンプを動かすには主燃焼室からの排ガスが必要ですが、エンジン始動時にはまだ燃焼が始まっていないため、排ガスが得られません。したがって、エンジンを始動させるためには、補助的な手段で一時的にターボポンプを動かすなどの複雑な起動シーケンスが求められます。

また、タービンが主燃焼室から直接分岐した高温・高圧の燃焼ガスに晒されるため、タービンブレードやケーシングなどの部品には、非常に高い熱応力と機械的応力に耐えうる高度な材料技術や冷却構造が不可欠です。エンジンの信頼性を確保するためには、これらの耐環境性に関する技術的な難易度が高いという側面があります。

これらの課題を克服しつつ、エンジンの簡素化や運用の特性を活かせる用途において、タップオフサイクルは有効な燃焼サイクル方式の一つとして検討されます。

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