RS-25

RS-25：スペースシャトルからSLSへ、宇宙への道を拓く高性能エンジン

RS-25は、エアロジェット・ロケットダイン社が設計・製造を手掛ける、液体燃料を推進剤とするロケットエンジンです。その高い性能と信頼性から、長年にわたりスペースシャトルのメインエンジン（SSME）として活躍しました。スペースシャトル計画では、1回の打ち上げにつき3基が使用され、計46基ものRS-25が宇宙へ飛び立ちました。

スペースシャトルの退役後も、NASAは約14～16基のRS-25D（ブロックII）を保管しており、これらは次世代ロケットであるスペース・ローンチ・システム (SLS) のために活用される予定です。RS-25Dを使い切った後には、改良型のRS-25Eが新たに生産される計画となっています。

RS-25の概要

RS-25は、液体水素と液体酸素を燃焼させることで強大な推力を生み出します。スペースシャトルでは、外部燃料タンクから供給される液体水素と液体酸素を3基のRS-25に送り込み、固体燃料ロケットやオービタルマニューバリングシステムと合わせて、必要な推力を得ていました。各エンジンは、離陸時におよそ1.8MN（約180トン）の推力を発生させます。

真空中の比推力 (Isp) は453秒、海面高度では363秒という高い性能を誇り、噴出速度はそれぞれ4440 m/sと3560 m/sに達します。エンジン全体の質量は約3.2トンです。

RS-25は、極めて過酷な環境下で作動します。液体水素は-253℃という極低温ですが、液体酸素と燃焼することで3300℃という鉄の沸点を超える高温に達します。各エンジンは毎秒1340リットルもの推進剤を消費し、これは平均的な水泳プールを満たす量をわずか75秒で排出する計算になります（3基同時使用時は25秒）。

燃料と酸化剤は、外部燃料タンクから3系統のラインを通して各エンジンに供給されます。RS-25の燃焼における水素と酸素の質量混合比は1対6です。化学反応における理想的な混合比（1対8）と比較すると、RS-25では水素が過剰に使用されています。これには、燃焼室の温度上昇を抑えることと、水素ガスを混合して噴射速度を高めるという2つの目的があります。特にスペースシャトルでは、固体ロケットブースターを第1段、RS-25を搭載した本体を第2段と見なせるため、第2段の比推力を重視する設計が採用されています。

RS-25は、初期型からPhase-II、Block-I、Block-IIA、Block-IIへと改良が重ねられ、信頼性と整備性が向上してきました。2001年からはBlock-IIが使用されており、帰還後にはエンジンを機体から取り外し、専門施設で分解・検査・整備を行い、再利用に備えています。

液体酸素供給系

RS-25の液体酸素供給系は、低圧酸化剤ターボポンプ (LPOTP) と高圧酸化剤ポンプ (HPOTP) で構成されています。LPOTPは、液体酸素の圧力を0.7MPaから2.9MPaに加圧し、HPOTPへと供給します。HPOTPは、さらに液体酸素を加圧し、主燃焼室やプリバーナーへと送り込みます。HPOTPのタービン部とポンプ部は、ヘリウムで加圧された空洞によって分離されており、安全性が確保されています。

液体水素供給系

液体水素は、遮断弁からオービター内に供給され、3系統に分かれて各エンジンへと送られます。低圧燃料ターボポンプ (LPFTP) は、液体水素を0.2MPaから1.9MPaに加圧し、高圧燃料ターボポンプ (HPFTP) へと供給します。HPFTPは、さらに液体水素を加圧し、主燃焼室の冷却やプリバーナーへの供給を行います。

プリバーナーと推力制御装置

酸化剤プリバーナーと燃料プリバーナーは、高温ガスを生成し、高圧ターボポンプを駆動する役割を担っています。これらのプリバーナーへの液体酸素流量を調整することで、エンジンの推力を制御することができます。常に推進剤が6対1の混合比になるように調整されています。

冷却制御装置

冷却材制御弁は、ノズルの温度を制御するために、冷却系への水素ガス流量を調整します。

燃焼室とノズル

燃焼室では、燃料リッチの高温ガスと液体酸素が混合・燃焼し、高圧の燃焼ガスを生成します。燃焼室とノズルの内壁は、液体水素による壁面冷却管によって冷却されます。ノズルは全長2.9m、直径2.4mの鐘状で、高い膨張比を持っています。ノズル出口付近の角度を調整することで、流れの剥離を抑制し、安定した推力を得ています。

メインバルブ

RS-25には、5基の推進剤弁が搭載されており、油圧で作動し、エンジン制御装置からの電気信号によって制御されます。これらの弁は、MPSエンジンヘリウム供給システムをバックアップとして使用することも可能です。

ジンバル

ジンバル軸受けは、エンジンとオービターの間で推力を伝達する役割を担っています。低圧酸素ターボポンプと低圧燃料ターボポンプは、オービターの尾部の推力構造物に固定されています。

制御装置

RS-25には、エンジン自体に統合された制御装置が搭載されています。このデジタルコンピューターは、エンジンと燃焼プロセスを制御し、自己監視を行います。制御装置は2重冗長系で構成されており、高い信頼性を確保しています。

スペースシャトル引退後の用途

スペースシャトルの引退後、RS-25はスペース・ローンチ・システム (SLS) のメインエンジンとして再利用されることになりました。SLSは使い捨てロケットであり、1回の打ち上げで4基のRS-25Dを使用します。

特徴

再利用可能
燃焼圧力可変 (65% - 109%)
推進剤：液体酸素、液体水素
二段燃焼サイクル
プリバーナ2つ、ターボポンプ4つという複雑な構造

仕様

推進剤: 液体酸素/液体水素
推力(真空中): 2,278 kN
推力(海面高度): 1,817 kN
比推力 (真空中): 453 s
比推力 (海面高度): 363 s
燃焼時間: 480秒
質量: 3,177 kg
直径: 1.63 m
全長: 4.24 m
燃焼室圧力: 18.94 MPa (100%出力時)
ノズル開口比: 77.50

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