AJ-10

AJ-10ロケットエンジン

AJ-10は、アメリカの企業エアロジェットによって開発・製造された液体燃料ロケットエンジンです。その設計は堅牢性と信頼性に重きを置かれており、長期間にわたり数多くの宇宙ミッションを支えてきました。

概要

このエンジンは、主に自己着火性推進剤であるエアロジン-50（非対称ジメチルヒドラジンとヒドラジンの混合物）と四酸化二窒素（N₂O₄）を燃料として使用します。初期の派生型では硝酸と非対称ジメチルヒドラジンが用いられていました。推進剤の供給には圧送式サイクルが採用されており、タンク内部をガス圧で加圧することでエンジンへ送り込みます。この方式は複雑なターボポンプを必要としないため、システムの簡素化と信頼性向上に貢献しています。また、自己着火性推進剤の使用により、燃料と酸化剤が混合するだけで速やかに着火するため、宇宙空間での再着火が容易であるという大きな利点があります。冷却システムには再生冷却機構が導入されており、推進剤がノズルや燃焼室の周囲を循環することでエンジン本体を冷却し、推進剤は予熱されて燃焼効率の向上にも繋がります。長年にわたり、デルタIIやタイタンIIIといった主要な使い捨てロケットの上段だけでなく、歴史的なアポロ計画における機械船のメインエンジンとしても採用されました。さらに、日本のN-IIロケットの第二段エンジンとして、石川島播磨重工業がライセンス生産したAJ10-118FJ/FJIが使用されるなど、国際的な実績も持ちます。構想段階にあったコンステレーション計画のオリオン宇宙船や、ユナイテッド・ローンチ・アライアンスが進めるデルタIVスモールの第二段エンジンとしても搭載が検討されるなど、現在に至るまでその設計は高く評価されています。約50年の運用期間で、合計360基以上が宇宙へと打ち上げられています。

開発と歴史

AJ-10エンジンの開発は、1950年代後半にエアロジェット社で始まりました。当初、全く新しい設計の燃焼室が計画されていましたが、資金提供元である海軍の強い要望により、観測ロケット「エアロビー」で実績のあったAJ-11エンジンの燃焼室設計を基に開発が進められることになりました。燃焼室の主要材料としてアルミニウムが指定されましたが、当時のアルミニウム製燃焼室に関する技術的知見が不足していたため、開発チームを率いたエド・エルコは、リスク分散のために平行して鉄製燃焼室の開発も進めるという判断を下しました。両材質の燃焼室は、材質以外の基本的な設計はほぼ共通でした。

アルミニウム製燃焼室はタングステンカーバイトで、鉄製燃焼室は窒化チタンの保護層で覆われる設計でした。この開発には、ベル・エアクラフト社で実績のあるハリー・マイヤーズも参加し、アジェナロケット向けエンジンの開発を牽引しました。軽量なアルミニウム製エンジンは、ヴァンガード計画での採用が決まりましたが、初期の生産型であるAJ-10-118およびAJ-10-40では、アルミニウム製燃焼室に技術的な課題を抱えており、ヴァンガード計画の初期失敗の一因ともなりました。例えば、ヴァンガード計画の最初の打ち上げであるTV3（1957年12月6日）は第一段の不調で失敗し、続く打ち上げも第一段の問題に見舞われました。AJ-10エンジンが初めて軌道投入ミッションで正常に運用されたのは、1958年3月17日のヴァンガード1号の打ち上げでした。

ヴァンガード計画終了後、宇宙開発の主体はNASAと空軍に移りました。空軍は、ソーロケットの上段として開発されたエイブルロケットにAJ-10の搭載を計画しました。ここでもアルミニウム製燃焼室の使用が求められましたが、製造工程と調整手法の改良が加えられた結果、要求水準を大きく上回る耐久性を実現しました。冷却方式も時代と共に進化し、1960年代には再生冷却とアブレーション冷却を組み合わせた方式が主流でしたが、後には燃焼室はアブレーション冷却、ノズルは放射冷却を採用する型のみが生産されるようになりました。

エンジンの性能向上は継続的に進められ、特に燃焼室の冷却性能や材料、そして燃料噴射システムの開発に力が注がれました。初期の噴射システムは、直径約140mmの円形配置の中に噴射弁が配置され、燃料と酸化剤が1対1の比率で供給される設計でした。後に小型の噴射環が追加されるなどの改良が加えられ、多数の燃焼試験を通じて安定した燃焼と燃焼室壁面の均一な加熱が追求されました。燃料・酸化剤の混合を最大限に均質化する取り組みは、アルミニウム製燃焼室に起因する問題を最終的に克服する上で重要な役割を果たしました。

アポロ計画では、より高出力のAJ-10-137がアポロ司令・機械船のサービス推進エンジンとして開発され、数回の再着火能力と長時間の燃焼（最大585秒）を実現しました。トランステージ上段（タイタンIIIに使用）にはAJ-10-138が搭載されました。これらのAJ-10の開発過程で培われた技術は、その後のスペースシャトル軌道制御システム（OMS）に使用されたAJ-10-190を含む、多くの類似する宇宙推進システムの基礎を築きました。

主要な派生型

AJ-10エンジンはその長い歴史の中で数多くの派生型を生み出しました。

AJ-10-118: ヴァンガードロケットの第二段であるエイブルロケットに初めて採用された型。日本のN-IIロケットでもライセンス生産されました。
AJ-10-101: エイブルエンジンの改良型として、アトラス-エイブルやソー-エイブルに使用されました。1958年7月10日のソー-エイブル打ち上げで初めて宇宙空間での着火に成功しました。
AJ-10-37: ヴァンガード向けに製造された初期型の一つですが、燃料噴射装置と燃焼室に課題を抱えていました。
AJ-10-40: AJ-10-37の後継として開発され、空軍のソー・エイブルロケットに搭載されました。
AJ-10-104: エイブルスターロケットに使用されました。
AJ-10-137: アポロ司令・機械船のために開発された重要な派生型。エアロジン-50/四酸化二窒素を推進剤とし、複数回の再着火能力が求められるミッションに対応しました。
AJ-10-190: アポロ用AJ-10-137を基に開発され、スペースシャトルの軌道制御システム（OMS）エンジンとして使用されました。
AJ-10-118k: デルタロケットの第二段の標準エンジンとして、現代まで使用されている型。AJ-10-137と同じ推進剤を使用します。
AJ-10-138: タイタンIIIロケットの第三段であるトランステージに2基搭載されました。これもAJ-10-137と同様の推進剤を使用します。

AJ-10エンジンは、約50年間にわたる運用で、RL-10、LR-87、スペースシャトル主エンジン（SSME）といった他の著名なエンジンと組み合わされることもあり、累計360基以上の打ち上げ実績を誇ります。これは、宇宙開発史において最も成功し、長く運用されたエンジンシステムの一つであることを示しています。

関連項目

デルタ-K
アポロ司令・機械船
オリオン宇宙船
* トランステージ

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