RD-0410

RD-0410核熱ロケットエンジン

RD-0410（РД-0410、GRAUインデックス：11B91）は、ソビエト連邦において1965年から1980年代にかけて開発が進められた、液体水素を推進剤とする革新的な核熱ロケットエンジンです。これは、核分裂反応で発生する膨大な熱エネルギーを利用し、推進剤を高温・高圧のガスに加熱・膨張させて噴射することで推力を得るシステムであり、化学ロケットに比べて高い比推力が期待できる点が特徴です。

開発と試験

このエンジンの開発は、宇宙探査における推進システムの可能性を拡大する目的で行われました。開発されたRD-0410は、カザフスタン共和国に位置する広大なセミパラチンスク試験場にて、安全性を確保しつつ地上での燃焼試験が繰り返し実施されました。これらの試験を通じて、核熱ロケットエンジンの基本的な動作原理や性能、さらには安全性に関する貴重なデータが蓄積されたと考えられます。

技術的特徴

RD-0410の設計において、特に重要なのがその核分裂炉心です。炉心には、燃料として炭化ウランとタングステンカーバイトの混合物が用いられ、減速材には水素化ジルコニウムが採用されました。特筆すべきは、燃料と減速材の間に断熱層が設けられていたことです。この構造は、炉心全体の容積を大幅に小型化するという明確な目的を持っていました。

推進剤である液体水素の流れも独特です。冷却材を兼ねる液体水素は、まず最初に水素化ジルコニウム減速材の周囲を流れます。このプロセスは、核分裂で放出される高速中性子のエネルギーを意図的に低く（熱中性子に近い状態に）減速させ、核分裂反応の効率を高めるために重要です。減速材を冷却しながら流れた水素は、次に燃料棒の周囲に送られます。ここで水素は核分裂反応によって発生する超高温と接触し、急速に加熱・膨張して高圧ガスとなり、エンジンのノズルから噴射されて推力を生み出します。

ただし、減速材を通過する過程で、使用されているカーバイト材料と水素との間でわずかな化学反応が発生することが確認されています。その結果、減速材を通過した後の水素流には、約1パーセントのヘプタンが混入することが報告されています。

エンジンシステム全体の重要な要素である推進剤供給を担う水素加圧ターボポンプは、ソビエト連邦における著名なロケットエンジン設計機関の一つであるキマフトマティキ設計局によって設計されました。

性能と評価

RD-0410の性能を、同時期にアメリカ合衆国で計画が進められていた核熱ロケットエンジン計画であるNERVA（Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application）と比較すると、興味深い特徴が見られます。

RD-0410は、排気温度やそれに関連する比推力といった観点では、NERVAの設計に比べて優れた数値を目指していました。高い比推力は、同じ量の推進剤からより大きな速度変化（ΔV）を得られることを意味するため、長距離の宇宙ミッション、特に惑星間航行においては非常に有利な特性となります。宇宙船の速度変化を示すツィオルコフスキーの公式においては、比推力は重要な要素であり、RD-0410はこの点で優れたエンジンと言えます。

しかしながら、RD-0410には大きな課題もありました。それは推力の低さです。RD-0410の公称推力はわずか35.2キロニュートン（kN）でした。これに対し、NERVA計画で開発されたエンジンは333.6 kNという、RD-0410の約10倍にも達する高推力を目標としていました。推力が低いということは、特に地球軌道からの脱出や大型ペイロードの加速など、大きな力が必要な場面での使用には限界があることを意味します。さらに、原子力エンジンはその性質上、化学エンジンに比べて構造が複雑になりがちで、核燃料や遮蔽材を搭載することによる自重の増大も避けられません。この自重の問題と低い推力のため、RD-0410を単体で宇宙船の主推進機として使用する際には、性能を十分に引き出すため、あるいは特定のミッションプロファイルを達成するために、ブースターなど他の推進システムとの組み合わせが必要となる可能性が示唆されています。

将来計画への検討

RD-0410は、単なる研究開発プロジェクトに終わらず、実際の宇宙ミッションへの応用も検討されました。1994年に立案された、ソビエト連邦崩壊後のロシアにおけるKurchatov有人火星飛行計画案においても、惑星間航行段階の推進システムとしてRD-0410の採用が俎上に載せられています。これは、RD-0410の高い比推力が長距離の有人ミッションにとって魅力的であったことを示しています。

まとめ

RD-0410は、ソビエト連邦が開発した核熱ロケットエンジンの重要な成果の一つです。高い比推力という核熱ロケット本来の利点を追求しつつ、炉心の小型化など独自の技術的アプローチを採用しました。推力の低さや自重といった課題はあったものの、地上試験を通じて得られた知見や、後の有人火星計画で検討された事実は、RD-0410が単なる概念設計に留まらない、具体的な宇宙輸送システム実現に向けた試みであったことを物語っています。このエンジン開発の経験は、その後の宇宙開発技術、特に先進的な推進システム研究において貴重な遺産となりました。

もう一度検索