-米国の大型打上げロケットUAL製「アトラスV」１段目のロシア製RD-180エンジンは、自国開発のBlue Origin製BE-4へ換装が決まる–
2014-10-03 松尾芳郎
ユナイテッド・ローンチ・アライアンス社／United Launch Alliance (ULA) は、ロッキードマーチンとボーイング両社合弁の企業で2006年12月に設立された。それまでは、ロッキードマーチンは「アトラスV」を、ボーイングは「デルタIV」で、競合しながら米政府の宇宙開発に打上げロケットを提供してきた。両社の宇宙部門が統合し「ULA」となり、以来多くの衛星、探査機の打上げに成功している。
図：(NASA)2012-02-24にケープカナベラル空軍基地(Cape Canaveral Air Force Sta., Fla.)から打上げられたULA アトラスVロケット。搭載しているのは重量15,000lbsの米海軍のMobile User Objective System-1 (MUOS-1)衛星。１段目エンジンはロシアNPO Energomash製RD-180、推力86万lbsである。
図：ロシア製RD-180は、2ノズル型で、燃料はケロシンと液体酸素(LOX)。米国のULA製アトラスVの１段目に使われている。長さ3.56m、2000年からロッキードマーチン製アトラスIII用として輸出が始まり、2014年3月に露側により禁輸措置が採られるまで続いた。
「アトラスV」は、1段目にロシアNPO Energomash製RD-180 (2ノズル型)推力86万lbsを1基と個体燃料ブースタ(CCB) 5本を１段目周囲に取付けている。
去る9月17日、ULA社とBlue Origin社は、「アトラスV」用のRD-180を、政府の支援を受けずにBlue Origin社製BE-4液体燃料ロケットに変更する、と発表した。BE-4は2016年に地上運転試験を開始し、2019年には最初の打上げに使われる予定だ。推力は55万lbs級。
図：(ULA / Blue Origin)アトラスVの１段目エンジンとなるBE-4エンジンの完成予想図。2段燃焼ロケット・サイクル採用で、全てのエネルギーを燃焼室に入れ高圧力を得られるのでノズル膨張比を高くでき、高効率。図頂部には真中にタービン、左に燃料ポンプ、右に酸化剤ポンプが描かれている。
ULAの社長兼会長のトリー・ブルーノ(Tory Bruno)氏は次ぎのようにコメントしている；–
「この合意により、ULA社は、米国の安全保障、民間需要に応えるに充分な効率的且つ革新的で信頼性の高い打上げ能力を、将来にわたり確保することになる。Blue Origin社は、高性能のロケットエンジン開発の能力を実証済みであり、両者協力して技術の推進、協力企業の管理、民間ビジネス手法の取入れ、等を追求し、国産技術で米国の打上げロケットを充分採算性のある信頼性の高いものにする。」
現在米ロの関係は、ウクライナ侵攻問題で緊張が高まっており、UAL社が担当する国家的重要事業「宇宙開発」にロシア製エンジンを使うことに対する非難が集っているが、今回の措置で解決の目処がついた。
ブルー・オリジン社／Blue Originは、これまで表面に出ることなく活動してきた宇宙飛行開発の会社で、世界的な通販会社アマゾン(amazon.com)の所有者、大資産家のジェフ・ベゾス(Jeff Bezos)氏が起こした企業である。
宇宙へのアクセスを劇的に低コスト化し信頼性を高めることを目標にし、回収し再利用可能な１段目ロケットや有人カプセルの開発などに取組んでいる。
「ULA」は「Blue Origin」が行うBE-4の開発費の大部分を負担するが、BE-4が完成すれば、「ULA」は2019年からロシア製エンジンに頼らずに大型衛星、探査機などを打上げることになる。
普通液体燃料ロケットの開発には7年以上掛かると云われるが、関係者によると、BE-4は数年前から開発中で、今回のULAからの資金投入で予定を短縮して実現できそうだ。(Blue Originは2017年に飛行可能、としている)
BE-4の由来は、同社の開発する４番目のエンジンであることから来ている。BE-4は燃料に液化天然ガス(LNG)を使い、予燃焼室(pre-burner)では濃酸素(oxygen rich)状態でLNGを燃焼させターボポンプを回し、主燃焼室にLOX(酸化剤／液体酸素)を送る方式。
これは2段燃焼ロケット・サイクル(Staged combustion rocket cycle)で、全ての燃料(LNG)は予燃焼室に送られ、酸化剤(LOX)で燃焼しタービンを廻す。この方式では全ての燃料、酸化剤で生じるエネルギーが主燃焼室を通過するので効率が良い、と云う。一般的には濃燃料(fuel rich)作動が使われるが、BE-4 では濃酸素(oxygen rich)方式となっている、濃酸素方式は極めて腐食性の高いガスを使うので、液体酸素ポンプ、コントロールバルブ、予燃焼室などの酸化／腐食が激しくなる。しかし、ベゾス氏は「最新の設計技術とアデイテイブ製造法(3Dプリンテイング)のお陰で、問題は充分に克服できる」と自信を示している。
図；(Wikipedia)BE-4に使われるStaged Combustion Cycle (2段燃焼サイクル)の説明図。LNGポンプからの燃料はノズルチャンバー周囲の熱交換器で加熱、気化して全て予燃焼室送られる。液体酸素ポンプからの酸化剤は予燃焼室に濃酸素となるよう送られ、一部が主燃焼室に送られる。
図：(Blue Origin)BE-4の酸化剤(LOX)ポンプ
図：(Blue Origin)BE-4のタービン
ベゾス氏は燃料にLNG(液化天然ガス)を選んだ理由を次ぎのように述べている。「LNGはほぼ100%メタンガスで僅かの炭化水素を含んでいる。BE-4は、LNGあるいはメタン、いずれも使えるように設計してある。両者はほぼ同じ密度だが、メタンは含んでいる炭化水素を取り除いてあるのでかなり高価となる。またLNGは自動的にタンク加圧 (autogenous tank pressurization) ができるので、ヘリウムを使う複雑な加圧システムが不要となる。従って運用コストの安いLNGを選んだ」。
BE-4開発のため、Blue Origin社は今年の5月にバンホーン(Van Horn, Tex)の近くに推力100万lbs級のエンジン試運転設備を完成した。
現在ケント(Kent, Wash.)工場で、濃酸素使用の予燃焼室の試験中で、これから予燃焼室と主燃焼室を組み合わせた２段燃焼実験に取組む。次ぎの重要な試験はターボポンプとメインバルブの組み合わせ試験である。エンジン全体の試運転は2016年初めに予定している。
Blue Origin社は、BE-4が完成したら将来の利用に備えて“再利用”性能を試験する計画だ。すなわち、自社開発の垂直発射打上げロケットに取付け、液化天然ガス(LNG)が持つ”自浄能力”を利用する”再使用”性能を実証したい、としている。
BE-4エンジンは、ロシア製のケロシン燃料使用の2ノズル型RD-180より推力が小さいので、アトラスVには2台搭載する予定、２台にすることで合計推力は２割以上増え、打上げ能力が向上する。さらに最新の技術で作られるので性能が向上し、コストが低減する。
これとは別にBlue origin社は、最近液体水素(LH2)燃料使用のBE-3エンジンを完成した。160回の始動と合計1万秒の運転試験を完了した。これは推力11万lbsでLH2燃料ロケットとしては、1990年代に「デルタIV」打上げロケットの1段目エンジンとして作られたロケットダイン製RS-68とその改良型RS-68A推力70万lbs以来のことである。BE-3は、未だ用途が決まっていないが、高性能、低価格、再使用可能の特徴を備えているので将来のロケットへの採用は充分見込めると云う。
図：(NASA / Blue Origin)試験中の液体水素燃料(LH2)と液体酸素(LOX)使用のBlue Origin製 BE-3エンジン。これで同社が開発中の有人カプセル(New Shepard)の軌道弾道飛行への道が開けた。地上試験では、145秒間全推力で運転し、4,5分間停止、再点火して25%推力で再突入し、カプセルはパラシュートで降下、そしてロケット本体は再使用のため海上で回収、と云うサイクルを実証した。実際の飛行試験は間もなく行われる。
米国空軍も打上げロケットがロシア製エンジンに頼っていることに危機感を持ち「早急に国産に切替えたい」として、去る８月に “RD-180交替に関する提案要求(RFI=request for information)”を提示した。これに応えてエアロジェット・ロケットダイン社(AJR=Aerojet Rocketdyne)は、開発中のAR-1エンジン、BE-4とほぼ同推力、を提案し、NASAの資金協力が得られれば開発期間を短縮できる、と報告した。しかしULA社は、ARJ案は未だ構想の段階で、Blue OriginのBE-4の進捗状況には遠く及ばない、と冷ややかな評価をしている。
もう一つ、個体燃料ロケットのメーカーATK社は先々週に空軍に対し、RD-180の後継として個体燃料ロケット案を提出した。これによるとアトラスVロケットのサイズ、高さ191㌳に収まるよう個体燃料ロケットを2段積み重ね、個体燃料特有の振動を回避すると云う案。3年あれば飛行試験に漕ぎ着けられると云う。
–以上−
本稿作成の参考にした記事は次ぎの通り。
Aviation Week Sept. 22, 2014 page 26, 27 “True Blue”by Frank Morring Jr.
Blue Origin home “About Blue Origin”
Blue Origin “BE-4 Rocket Engine : Commercialy Developed made in USA
“Staged combustion cycle”Wikipedia
Parabolic Arc Sept. 17,2014“Blue Origin BE-4 Rocket Engine Fact Sheet”by Doug Messier
Space com Sept. 17, 2014 “Jeff Bezos’ Blue Origin to Build New Rocket Engine for US Launch Provider” by Miriam Kramer
The Space Review Sept. 29, 2014 “ULA, Blue Origin and the BE-4Engine” by Anthony Young