宇宙の世界へようこそ⑨「ロケットエンジン・固体ロケット・一液式ロケット・ハイブリッドロケット」

宇宙用推進機の中で最も重要なのがロケットエンジンである。ロケットエンジンとはガスやプラズマなどの流体を高速で噴射することで推進力を得るシステムであり、流体を噴射する方法としては加熱により生成した高圧ガスを噴射する方法と、電磁気によりプラズマを加速させて噴射する方法がある。

熱を利用したロケットは熱源に応じて「核熱ロケット」や「電熱ロケット」などと呼ばれるが、特に燃料の化学反応を熱源とするロケットは「化学ロケット」と呼ばれている。化学ロケットの燃料(推進薬)は反動質量たる推進剤と熱源を兼ねており、推進薬が固体か液体かなどによって特徴と用途が異なる。

固体ロケットはチューブ状の燃焼室兼燃料タンク(モーターケース)に固体の燃料と酸化剤が充填されている化学ロケットである。単純な構造なため安価であり、安定した固体燃料により長期間容易に保管が可能な大推力ロケットである。しかし燃焼のコントロールが難しく比推力が小さいため、消耗品かつ長期間保存する弾薬やミサイルが主な用途である。

なお固体ロケットの推力制御については様々な方法があり、燃焼が端部や軸中心から進むことを利用して固体燃料の断面形状(光芒)や成分を傾斜させることで推力を変化させるもの、モータケース内の隔壁により燃焼を途中で停止させるもの、逆噴射用のノズルや弁を使って推力をキャンセルするもの、固体燃料のロケット自体を多段化してシステム全体で制御する方法などがある。

一液式ロケットは、いわゆる一般的な燃焼とは別の方法で高圧ガスを生成するタイプの化学ロケットである。燃料はヒドラジンや過酸化水素などが採用され、化学燃料がプラチナなどの触媒により分解されることで熱と高圧ガスを生成して推進力を得ている。ヒドラジンや過酸化水素は人体への毒性があるため、作業コストの低下を目的にHAN系やADN系などの低毒性推進薬が開発されている。

一液式ロケットの推力は低くなりがちだが、燃料が一系統なためバルブの単純な開閉で制御できたり、常温で液体の燃料が多いため長期間の保存が容易などの特徴がある。このため姿勢制御に用いるRCSとして小型の一液式ロケットが宇宙機の各所に多数設置されることが多い。

ハイブリットロケットは、固体ロケットと後述する二液式ロケットとの中間にあるロケットであり、亜酸化窒素や液体酸素などの酸化剤などにより、ポリアミド樹脂や合成ゴムなどの固体燃料を燃焼させて推進力を得ている。二液式ロケットに比べて比推力に劣るがシンプルであり、固体ロケットより推力が小さいがスロットリングが容易といった特徴があるため、宇宙用の巡航ミサイルのロケットエンジンとして採用されることが多い。

参考資料
・固体燃料ロケット(wiki)　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%BA%E4%BD%93%E7%87%83%E6%96%99%E3%83%AD%E3%82%B1%E3%83%83%E3%83%88
・L-4Sロケット(wiki)　https://ja.wikipedia.org/wiki/L-4S%E3%83%AD%E3%82%B1%E3%83%83%E3%83%88
・防衛技術シンポジウム2014　「直巻マルチセグメント・ロケットモータ」(dragoner.ねっと)　http://dragoner-jp.blogspot.com/2014/11/2014_28.html
・直巻マルチセグメント・ロケットモータの研究(防衛装備庁技術シンポジウム２０１５)　https://www.mod.go.jp/atla/research/ats2015/image/pdf/P7.pdf
・マルチパルスロケットモータとその製造方法(Google Patent)　https://patents.google.com/patent/JP6320161B2/ja
・固体ロケットエンジンの推力制御について201507(togetter)　https://togetter.com/li/849585
・宇宙クラスタによる固体ロケットエンジンの考察(togetter)　https://togetter.com/li/848830
・国際特許分類［F02K9/28］に分類される特許(ekouhou.net)　http://www.ekouhou.net/disp-ipc-F02K9,28.html
・一液式ロケット(wiki)　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%80%E6%B6%B2%E5%BC%8F%E3%83%AD%E3%82%B1%E3%83%83%E3%83%88
・グリーンな衛星推進系へ-低毒性推進薬を用いたスラスタおよび推進系の開発-(三菱重工技報 Vol.56 No.1)　https://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/561/561050.pdf
・ハイブリッドロケット(wiki)　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%8F%E3%82%A4%E3%83%96%E3%83%AA%E3%83%83%E3%83%89%E3%83%AD%E3%82%B1%E3%83%83%E3%83%88
・ハイブリッドロケット(英語wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid-propellant_rocket
・スペースシップツー(wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/SpaceShipTwo
・金属／水を用いたハイブリッドスラスタの燃焼機構の解明(科研費研究課題)　https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-19K21064/
・ハイブリットロケット技術の現状と展望(UNISEC 第6回年次総会)　・chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/http://www.unisec.jp/library/2008generalassembly/shimada.pdf