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ロケットエンジンも電動の時代~電動(ターボ)ポンプ搭載エンジンRutherfordに迫る~

Vulcanが発表された展示会で、もう一つ画期的ロケットエンジンが発表されました。 ニュージーランド・アメリカのベンチャー企業、RocketLab社の小型衛星打ち上げロケットElectronのメインエンジン「Rutherford」です。 Ruthrfordに至るロケットポンプ電動化の挑戦と、そのメリットデメリットに迫ります。
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小型衛星打ち上げ市場にさっそうと登場したニュージーランドのRocketLab社Electronロケット。
しかしそのメインエンジン"Rutherford"はずっと”機密”として公開されてきませんでした。

しかしついに、#31ssの会場で"rutherford"エンジンがその姿を現しました!

Jeff Foust @jeff_foust
Rocket Lab's Rutherford engine on display. #31ss pic.twitter.com/fYb67tEkE5
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Rocket Lab @RocketLab
Less than 1 hour until major #RutherfordEngine announcement, stay tuned for updates
Rocket Lab @RocketLab
Press briefing underway to announce the #RutherfordEngine, the world first electric powered rocket engine! #31SS pic.twitter.com/sZdzdEHjEc
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LH2 @LH2NHI
なんと、RocketLab社のRutherfordロケットエンジンはやっぱり電動ポンプだったのか!!詳細公開は初めてのはず。>RT twitter.com/rocketlabusa/s…
LH2 @LH2NHI
ついにRutherfordロケットエンジンが姿を現した! 小型衛星打ち上げベンチャー、RocketLab社の LOX・ケロシン電動ポンプエンジン! >RT @jeff_foust pic.twitter.com/2y2PMYanJB twitter.com/jeff_foust/sta…
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LH2 @LH2NHI
見たところ電動ポンプ以外はオーソドックスな感じ。 タービンがなく電動ポンプなのでガスジェネレータやその配管、タービン出口管などがなく圧送式に近いくらいすっきりしてるなあ。

ロケットエンジンの燃焼室に推進剤を供給するには、燃焼圧や圧損に打ち勝つ必要があります。
水ロケットの様にタンクの圧力を上げてしまえばいい?
それも解の一つで、「圧送式」と呼ばれます。
ただ、タンクも高圧に耐えないといけないし、全体を高圧にするならそのための加圧ガス(He等)もたくさんいるので、
ガスを蓄える気蓄器(ボンベ)が重くなります。

ではタンクの圧を下げて、ポンプで圧を上げて送り込めばいい。
その通りです。ではどうやってポンプを駆動するか?
タンクを軽くした分ポンプが重いのでは複雑なだけで何の意味もありません。軽い駆動源が必要です。

燃料が水素なら、燃焼室の壁で温まった水素でタービンを回すのがいいでしょう。
その水素を燃焼室に送り込むか(RL-10等)、一部だけ使ってタービンを回し捨てるか(LE-5B)はお好みで。
前者をエキスパンダー、後者をエキスパンダーブリードサイクルと呼びます。

もっとパワーを上げたいなら、推進剤の一部を持ってきて別の燃焼室で燃やし、そのパワーを使ってタービンを回すのがいいでしょう。
そのガスを外部に捨ててしまうのをガスジェネレータサイクル(F-1,RS-68等)、不完全燃焼ガスにして燃焼室に送り込み、燃やし尽くすのを二段燃焼サイクルと呼びます。(LE-7A,SSME,RD-180,BE-4等)

さて、このエンジンはターボポンプではなく、電動ポンプを採用しています。
しかしこれまで電動ポンプが採用されてこなかったのには理由があるのです。

LH2 @LH2NHI
基本大型になるとロケットエンジン用として重すぎて使い物にならないモーター駆動だけど、このくらいの規模のエンジンならタービン+GG+制御弁の重さが相対的に重くなってくるので、モーター質量のほうが軽くなる領域があるのかも。 もしくはTP式ではなく圧送式より軽ければいいということか。
LH2 @LH2NHI
実際ヘリウム気蓄器+高圧推進剤タンクの重さより、駆動用電池+モーターのほうが軽ければ電動大勝利である。 そういえばGenerationOrbitのロケットも第2段エンジンは電動モーター駆動だったなあ。小型でこれまで圧送になってた機体には効果覿面なのかもしれない。
はるねー @har_u
kWでるのか疑問。kWって言っても数kWじゃなくて百kWオーダーだと思うんだけど
はるねー @har_u
いや、液酸とかそこらへんのものにがっつり浸せば数分ならおかしい電流でまわせるはず
LH2 @LH2NHI
@har_u 電力どうする気なのか、わたし、気になります! リチウム電池とかでで持つのかなあ…。電池のほうが高圧化タンク+ヘリウム気蓄器質量より軽ければ電池マシマシでも一向に問題ないわけですが。
はるねー @har_u
@LH2NHI 飛ぶもので電ポンを選択するのはかなりメリットがないとやらないはず。いくらFirstといってもですね。実は意外とお安い、サイクル的に、極低温をうまく活用、機体電力としてペイするとか思いつくですが、電動アクチュエータみたいですし。赤いものの裏みればもう少しわかるですが
はるねー @har_u
@LH2NHI 電動アクチュエータじゃなかったですね。酸化剤と燃料にそれぞれ1式あって、しかもモーターだから回転数任意でAGB要らないから結構お軽いのかも。黄色いのはパワエレだと思うですがさすがにバッテリーパックじゃ… gyazo.com/b0faf9d4573a6e…
LH2 @LH2NHI
@har_u まあ黄色いのはパワエレでしょうね。 なんかモーターがキャンドポンプっぽく見えるので、もしかしたらシールをなくせるのもコストダウンにつながるのかも、とも思いました。 グロスでどのぐらい圧送式より軽くできるのか気になります。
はるねー @har_u
良い感じでモーターの始動音が聞こえる gyazo.com/5e7317de5adb74…
はるねー @har_u
チャンバーは3Dプリントか。配管はすっきりしててすてき。たぶん内部流路も持ってるんでしょ
きりくずどう:略称クズさん @kirikuzudo
電池は瞬発力ないからなー。400V-200Aとかちょっと考えにくいが、MEAと同じ考え方というならいけるかも。ランエボのエンジンでも200kWは出るし。
きりくずどう:略称クズさん @kirikuzudo
電動化すると作りやすさとかがコストに効いてくるんじゃないかな、って思ってる。そういえば数年前にまきのさんともそんな話してたな。
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コメント

にとりるゴム @liskaC48847 2015年4月18日
非常にスッキリとした外観がコストの安さを示してますね・・・ 3Dプリンタ全面採用にMWに近い電動モータといい、なんというか強い
ダイスケ@異世界コンサル㈱漫画化しました! @boukenshaparty1 2017年5月26日
ロケットエンジンに電動ポンプを採用する利点が少し理解できたかも
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