電動ポンプサイクル

ロケットエンジンが推力を生み出すためには、推進剤である燃料と酸化剤を燃焼室で効率よく混合・燃焼させる必要があります。そのためには、推進剤を高い圧力で供給する仕組みが不可欠です。この推進剤を供給するシステム、すなわち「推進サイクル」にはいくつかの種類が存在します。

その多様なサイクル形式の一つに、「電動ポンプサイクル」があります。これは、推進剤を供給するためのポンプを、燃焼ガスを利用するのではなく、電気モーターで駆動する点が最大の特徴です。

基本原理

電動ポンプサイクルを採用するエンジンでは、燃料と酸化剤はそれぞれ専用の電動ポンプによって昇圧されます。通常、推進剤は比較的低い圧力（例えば0.2〜0.3メガパスカル）で供給されますが、燃焼室へ送る際には極めて高い圧力（10〜20メガパスカル、またはそれ以上）まで引き上げられます。この圧力上昇の役割を担うのが電動ポンプです。

ポンプを駆動する動力源は、搭載されている電池からの電力です。電池から供給される直流電圧は、インバータと呼ばれる電力変換装置によって交流電圧に変換されます。この交流電力が電動機（モーター）を回転させ、ポンプを動作させます。

一般的に、この駆動システムには高性能なインバータとブラシレスDCモーターの組み合わせが用いられます。ブラシレスDCモーターは効率が高く、小型軽量でありながら高出力を得やすいため、ロケットエンジンのような厳しい要求性能を持つシステムに適しています。電動機の駆動に用いられる交流電圧の波形は、必ずしも滑らかな正弦波に限らず、双方向に電流が流れるような特定の駆動波形が利用されることもあります。これにより、モーターの制御性や効率を最適化しています。

他のサイクルとの比較

液体燃料ロケットエンジンの推進サイクルにおいて主流となっているのは、燃焼室で発生したガスの一部を利用してターボポンプを駆動する方式です。これには、ガス発生器サイクル、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などがあります。これらの方式が燃焼ガスの熱エネルギーや圧力エネルギーを動力源とするのに対し、電動ポンプサイクルは電池という外部の電気エネルギーを利用します。

また、ポンプ自体を使用せず、高圧に加圧された推進剤タンクから直接燃焼室に供給する圧送式サイクルという単純な方式もあります。電動ポンプサイクルは、圧送式よりも高い燃焼圧力を実現しやすく、かつ燃焼ガスを利用する方式に比べてシステム構成が異なるという独自の立ち位置にあります。

用途と利点

電動ポンプサイクルは、特に小型ロケットにおいて採用される例があります。代表的な事例としては、ニュージーランドのロケット・ラボ社が開発した「ラザフォード」エンジンが挙げられます。このエンジンは、同社の小型衛星打ち上げロケット「エレクトロン」に搭載されています。

電動ポンプサイクルの利点としては、まずポンプ駆動系が燃焼室から独立している点が挙げられます。これにより、複雑な燃焼ガス配管やタービンなどが不要となり、エンジンの構造を比較的シンプルに保つことができる可能性があります。構造の簡素化は、開発期間の短縮や製造コストの削減につながる場合があります。また、電動機によるポンプ駆動は、電気信号による精密な制御が可能であり、推力調整の容易性や応答性の高さといった利点にもつながる可能性があります。

まとめ

電動ポンプサイクルは、電池と電動機を用いて推進剤を供給する革新的なロケットエンジンの推進サイクルです。燃焼ガスを利用する主流方式とは異なる原理を持ち、特に小型ロケットの分野で実用化が進んでいます。構造の簡素化や制御性の高さといった特徴は、今後のロケット開発、特に小型衛星打ち上げ市場のニーズに応える技術として注目されています。

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