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2015年9月20日、中国は新型ロケット「長征六号」の初打ち上げに成功した。

長征と名の付くロケットは、1970年代から改良を重ねることで進化し、数多くの人工衛星、有人宇宙船を打ち上げ続け、中国を最盛期の米ソに勝るとも劣らないほどの宇宙大国へと押し上げた。打ち上げ数は200機を超え、成功率も信頼性も、高い水準を維持している。その長征が今、その誕生以来初めて、まったく新しいロケットへと生まれ変わろうとしている。

長征六号に使われている技術は、世界的にも実用例が少ないきわめて高いものであり、またその技術を共有する、新しい中型、大型のロケットの実用化に向けた先駆けとして、今回の打ち上げ成功は大きな意味をもっている。

この長征六号にはどんな意義があるのか、そこに使われている技術はどんなものなのか、そして、その未来には何が待っているのだろうか。

前回は長征六号を含む、次世代の長征ロケットが開発されるまでの経緯について紹介した。連載の第2回では、長征六号に使われている高性能ロケット・エンジン「YF-100」について紹介する。

○「酸化剤リッチ二段燃焼サイクル」のケロシン・エンジン

長征六号の、第1段には液体酸素とケロシンを推進剤とする強力なロケット・エンジン「YF-100」を1基、第2段も同様に液体酸素とケロシンを使う「YF-115」を1基装備している。

このYF-100とYF-115こそ、長征六号の、そして長征七号と長征五号を含む、次世代長征ロケットすべてにおける肝となる部分で、「酸化剤リッチ二段燃焼サイクル」と呼ばれる、きわめて高度な技術を採用している。

「酸化剤リッチ二段燃焼サイクル」という言葉のうち、まず「二段燃焼サイクル」というのは、液体ロケット・エンジンを動かすための、いくつかある仕組みのうちのひとつである。

液体ロケットの多くは、ターボ・ポンプという強力なポンプで燃料と酸化剤(この2つを合わせて推進剤という)を燃焼室に送り込んで燃焼させ、発生したガスを噴射してロケットを飛ばしている。このターボ・ポンプを動かすために、タービンを猛烈な勢いで回転させる必要がある。

そのために二段燃焼サイクルは、まずプリ・バーナーという小さな燃焼室で推進剤を燃やし、生成された高温高圧のガス(*1)でタービンを回してターボ・ポンプを動かし、それによって推進剤を燃焼室に送り込み、さらにタービンを回したガスも燃焼室に送り込んで燃焼させる。推進剤を2段階で完全に燃焼させることから、二段燃焼という名が付けられた。

この仕組みは、推進剤をいっさい無駄にすることなく噴射に使えるため、性能の良いエンジンにできるという長所がある。しかしその反面、エンジンの構造が複雑になり、また各所にかかる圧力や温度の条件が厳しく、どこかで不調が起きると途端に爆発する可能性もあり、さらにエンジン始動のタイミングの制御も難しいなど、製造や運用が難しいという短所もある。

もうひとつの「酸化剤リッチ」というのは、このプリ・バーナーの燃焼によって生成されたタービン駆動用ガスに、酸化剤(酸素)が多く含まれているということを指している。酸化剤リッチがあるからには、もちろん燃料リッチもあり、こちらは燃焼ガスにケロシンや水素などの燃料が多めに含まれているということである。酸化剤なり燃料なりが豊富に含まれているから、リッチ(rich)というわけである。

リッチにしなければならない理由は、タービン駆動用ガスの温度が上がりすぎないように抑える必要があるためである。もし、燃料と酸化剤を最適な比率で燃やしたとすると、配管などの金属部品が耐えられないほど燃焼ガスが高温になってしまう。一部の部品だけであれば、その周囲に推進剤を流すなどして冷却することができるが、エンジン全体を取り巻く配管や、また特に回転するタービンなどの部品は冷却ができない。そこで、酸化剤か燃料かを多めに足して燃やし、わざと未燃ガスが残るようにすることで、タービン駆動用ガスの温度を下げているのだ。

燃料リッチにすべきか、酸化剤リッチにすべきかは、使う燃料によって変わる。たとえば液体水素を使うエンジンの場合は、理論的に水素リッチのほうが性能が上がることから、日本のH-IIAロケットや、米国のスペース・シャトルで使われているエンジンは水素リッチで動いている。

一方、ケロシンを燃料に使うエンジンの場合は、酸化剤リッチのほうが高い性能が出せる。またケロシン・リッチにすると、高温の中でケロシンが分解されてススが発生し、配管やタービンに付着してしまうため、実用には向かないことから、必然的に酸化剤リッチにするしかない。

しかし、酸素はただでさえ反応性が強い上に、プリ・バーナーで加熱されることで、さらに反応性はより高くなり、金属を簡単に腐食させてしまう。それからエンジンの部品を守るためには、特殊なコーティングを施すなどの、高い冶金技術が必要となる。

これまで、酸化剤リッチ二段燃焼サイクルのケロシン・エンジンの実用化に成功したのは、ソヴィエト連邦/ロシアだけだった。米国は1990年代に、ソ連/ロシアで開発された酸化剤リッチ二段燃焼サイクルのケロシン・エンジンの技術を入手し、米国内で生産しようとしたが、現実的な予算や人員の範疇では難しいことがわかり断念。結局、ロシアから完成品を輸入し、ロケットに装着して打ち上げている。

では、中国はどのようにしてこの難しい技術を手にしたのだろうか。

○中国はロシアからRD-120を手に入れた

中国で液体酸素とケロシンを使う高性能エンジンの開発は、1985年にはすでに提案されていたという。ただし、このときは開発までには至っていない。

その後、1990年にソヴィエト連邦から2基の「RD-120」というエンジンを輸入して分析し、1995年には燃焼試験も行ったとされる。

RD-120は現在も運用中の「ジニート」ロケットの第2段に使われているエンジンで、酸素リッチ二段燃焼サイクルのケロシン・エンジンである。なぜ中国がこのエンジンを入手することができたのかは不明だ。ただ、RD-120は高い性能をもつエンジンではあるものの、当時のソ連にはより高性能なエンジンがあったことや、また当時中国とソ連の関係は好転しており、さらにソ連は崩壊寸前で資金難に陥っていたことから、輸出されたとしてもおかしな話ではない。また1995年には、米国のプラット&ウィットニー社もRD-120を手に入れ、燃焼試験を行っており、中国に渡っていたとしてもおかしくはない。

中国はその後、このRD-120を下敷きに、1998年ごろから独自のエンジンの研究を始めた。そして1999年には正式にプロジェクトとなり、後にYF-100となるエンジンの開発が始まった。

RD-120を基にしているとはいえ、前述のように酸素リッチ二段燃焼サイクルのケロシン・エンジンは技術的に難しく、たとえ手元に実物や設計図があるからといって、すぐに真似して造れるようなものではない。

また、RD-120の真空中推力は約834kNであるのに対して、YF-100は約1340kNと大幅に向上していることから、単なるコピーではなく、中国独自の改良も加えられたことがわかる。前述のようにRD-120はジニートの第2段エンジンであり、ロケットの第1段エンジンとしては少し非力であるため、推力を向上させる改良は必須だったのであろう。

YF-100は2001年には形になるも、初期は失敗の連続で、大きな爆発事故も経験したという。だが、中国は粘り強く開発を続け、2005年に燃焼試験の成功にこぎつけた。その後も燃焼時間を延ばしたりしつつ試験が繰り返され、2012年には開発完了が宣言された。この時点までで、製造されたエンジンは61基にも上ったという。

その後も燃焼試験は行われており、2013年時点での燃焼時間は累計で4万秒を超えるという。これは新型エンジンの燃焼試験の時間としては十分な数字である。

最終的に完成したYF-100は、海面上推力1200kN、真空中推力1340kNで、比推力は海面上で300秒、真空中で335秒という性能をもつとされる。これはソ連が開発した世界最高性能のエンジン「RD-170」や「NK-33」よりは若干劣るものの、かなり高い性能である。

また推力を65%から100%で可変できる、スロットリング能力ももっているという。ただ、65%から100%の間を連続的に変えられるのか、あるいはあらかじめ設定した作動点のみなのかは不明である。

長征六号の第2段のYF-115もまた同様に、液体酸素とケロシンを使う、酸素リッチの二段燃焼サイクルを採用している。YF-100とは姉妹のような関係で、ほぼ同時期に並行して開発されたようだ。YF-115のほうが造りやすいため、おそらくYF-100の開発に向けた習作という意味合いもあったのかもしれない。

構想から数えると20年以上、実質的な開発開始から数えても10年以上の歳月をかけ、中国はついに、酸化剤リッチ二段燃焼サイクルのケロシン・エンジンの実用化に成功した。

そして今回の長征六号の打ち上げ成功で、YF-100は実際の飛行にも耐えられることも証明された。これにより、同じエンジンを使用する長征七号と長征五号の打ち上げへの関門も、またひとつ開かれたことになる。

何より、米国ですら一度は音を上げたエンジンの開発に成功したことは、この分野に限ったことではあるが、しかし確実に、中国が米国に一歩先んじたことを意味する。また、ロシアにしか存在しなかったロケット・エンジンの技術が、中国に受け継がれ、独自の進化を遂げたことは、世界のロケット開発史にとっても大きな意味をもつ。

なお余談だが、米国では現在、ケロシンではないものの、同じ炭化水素系のメタンを燃料とする酸化剤リッチ二段燃焼サイクルのエンジンの開発が進んでいる。また、フル・フロウ二段燃焼サイクルという、通常の二段燃焼サイクルよりももっと効率の良い、しかし難しい仕組みのエンジンの開発も進んでいる。

さらに、RD-120系の技術は、ウクライナを経て、インドにも渡ろうとしている。

現時点ではまだ、中国が成し遂げた成果は際立って見えるものの、そう遠くないうちに、酸化剤リッチ二段燃焼サイクルのケロシン・エンジンの技術は、ロケットの世界ではごくありふれたものになるかもしれない。

*  *  *

かくして開発されたYF-100だが、長征六号の開発は、次世代長征のもうひとつの肝である、モジュール化でさらに難航することになる。

【脚注】
*1 正確には、超臨界という液体でも気体でもない状態にある。

(続く)

(鳥嶋真也)