Integrated Powerhead Demonstratorのアーティストによるレンダリング。画像クレジット：NASA。拡大するにはクリックしてください。
将来のロケット技術について考えるとき、おそらくイオン推進、反物質エンジン、その他のエキゾチックなコンセプトを思い浮かべます。
そんなに早くない！従来の液体燃料ロケットの最終章はまだ書かれていません。信頼性を向上させながら、今日の設計よりも性能を2倍にすることができる新世代の液体燃料ロケット設計に関する研究が進行中です。
液体燃料ロケットは長い間使用されてきました。最初の液体推進ロケットは1926年にロバートH.ゴダードによって実行されました。その単純なロケットは、およそ20ポンドの推力を生み出しました。それ以来、デザインは洗練され、強力になりました。たとえば、スペースシャトルの3つの液体燃料搭載エンジンは、地球の軌道に向かう途中で150万ポンド以上の合計推力を発揮できます。
今では、液体燃料ロケットの設計で考えられるすべての改良がなされているに違いないと思われるかもしれません。あなたは間違っているでしょう。改善の余地があることがわかりました。
NASA、国防総省、およびいくつかの業界パートナーで構成されるグループである米空軍が主導し、より良いエンジン設計に取り組んでいます。彼らのプログラムはIntegrated High Payoff Rocket Propulsion Technologiesと呼ばれ、多くの可能な改善を検討しています。これまでで最も有望なものの1つは、燃料流の新しいスキームです。
液体燃料ロケットの背後にある基本的な考え方はかなり単純です。燃料と酸化剤は両方とも液体の形で、燃焼室に供給され、点火されます。たとえば、シャトルは燃料として液体水素を使用し、酸化剤として液体酸素を使用します。燃焼によって生成された高温ガスは、円錐形のノズルを通って急速に逃げ、推力を生成します。
もちろん、詳細ははるかに複雑です。 1つは、液体燃料と酸化剤の両方を非常に迅速に、大きな圧力でチャンバーに供給する必要があることです。シャトルのメインエンジンは、たった25秒間でプールに燃料が満杯になりました。
この噴出する燃料の急流は、ターボポンプによって駆動されます。ターボポンプに電力を供給するために、少量の燃料が「事前燃焼」され、それによってターボポンプを駆動する高温ガスが生成され、次に、残りの燃料が主燃焼室に送り出されます。同様のプロセスを使用して、酸化剤をポンピングします。
今日の液体燃料ロケットは、プレバーナーを通して少量の燃料と酸化剤しか送りません。バルクはメイン燃焼室に直接流れ、プレバーナーを完全にスキップします。
空軍とNASAによってテストされている多くのイノベーションの1つは、すべての燃料と酸化剤をそれぞれのプレバーナーに送ることです。そこではわずかしか消費されません。ターボを実行するのに十分なだけです。残りは燃焼室に流れます。
この「フルフローステージサイクル」設計には重要な利点があります。ターボポンプを駆動するタービンを通過する質量が増えると、ターボポンプはより強く駆動され、圧力が高くなります。圧力が高いほど、ロケットの性能は高くなります。
NASAのマーシャル宇宙飛行センターのGary Genge氏によると、このような設計は、これまでアメリカの液体燃料ロケットで使用されたことはありませんでした。 Gengeは、これらの概念のテストエンジンであるIntegrated Powerhead Demonstrator（IPD）の代理プロジェクトマネージャです。
「私たちが調査しているこれらのデザインは、さまざまな方法でパフォーマンスを向上させる可能性があります」とGenge氏は言います。 「燃料効率の向上、推力対重量比の向上、信頼性の向上をすべて低コストで望んでいます。」
「しかし、プロジェクトのこの段階では、この代替フローパターンを正しく機能させることを目指しているだけです」と彼は述べています。
彼らはすでに、1つの重要な目標を達成しました。 「従来のフローパターンを使用するターボポンプは1800℃まで加熱する可能性があります」とGenge氏は言います。これは、エンジンに多くの熱ストレスを与えます。 「フルフロー」ターボポンプは、より多くの質量が流れるため、より低い温度を使用でき、それでも優れたパフォーマンスを達成できるため、より低温です。 「私たちは温度を数百度下げました」と彼は言います。
Genge氏は、IPDは新しいアイデアのテストベッドとしてのみ意図されていると述べています。デモンストレーター自体が宇宙に飛ぶことはありません。しかし、プロジェクトが成功した場合、IPDの改善の一部は、将来の打ち上げロケットへの道を見つけることができます。
ゴダードの後、ほぼ100年と数千回の打ち上げが行われ、最高の液体燃料ロケットがまだ登場していない可能性があります。
元のソース：NASAサイエンスの記事
