未来のロケットモーターはジェットエンジンのように空気を吸い込む

ロサンゼルスから北へ車で約2時間、広大な砂漠の端に小さな飛行場があります。そこはまるで蛾が炎に集まるように、航空宇宙業界の異端児たちを惹きつけています。モハーベ航空宇宙港は、民間宇宙飛行士を初めて宇宙に送り出したスケールド・コンポジッツ社や、月着陸船の製造を手掛けるマステン・スペース・システムズ社といった企業の拠点です。ここはアメリカで最も大胆な宇宙プロジェクトの実験場であり、アーロン・デイビス氏とスコット・ステグマン氏が昨年7月にこの神聖な滑走路に到着した時、彼らは自分が正しい場所にいると確信しました。

二人は夜明け前に飛行場に到着し、空気吸入式ロケットエンジンの試作機の試験台を設置した。これはロケットモーターとジェットエンジンを融合させた新しいタイプの推進システムだ。彼らはこの不吉な発明をフェンリスと名付け、デイビスはこれが人類にとって宇宙旅行を安価にする唯一の方法だと考えている。従来のロケットエンジンは宇宙への旅に巨大な燃料タンクと酸化剤を積載する必要があるが、空気吸入式ロケットモーターは酸化剤の大部分を大気圏から直接取り込む。つまり、空気吸入式ロケットはより少ない推進剤でより多くのものを持ち上げることができ、少なくとも理論上は宇宙へのアクセスコストを大幅に削減できるのだ。

ジェットエンジンの効率とロケットモーターのパワーを組み合わせるというアイデアは新しいものではないが、歴史的にはこれらのシステムは段階的にしか組み合わせられていなかった。例えば、ヴァージン・ギャラクティックとヴァージン・オービットは、ジェット機を使って従来のロケットを大気圏数マイルまで運び、宇宙への旅の最終段階として放出している。他のケースでは、この順序が逆になる。史上最速の航空機であるNASAのX-43は、ロケットエンジンで最初のブーストをかけ、その後、スクラムジェットと呼ばれる空気吸入式の極超音速ジェットエンジンが引き継ぎ、機体を音速の約10倍にあたる時速7,300マイルまで加速した。

しかし、これらの段階的なシステムを1つのエンジンに統合できれば、大幅な効率向上により宇宙への到達コストが劇的に削減されるだろう。「究極の目標は、滑走路から離陸して宇宙へ飛び立ち、帰還してシステムを再利用できる単段式軌道投入機です」と、バージニア大学航空宇宙研究所所長で極超音速飛行の専門家であるクリストファー・ゴイン氏は語る。

SSTO（単段軌道ロケット）の大きな課題は、軌道投入に必要な速度（時速約17,000マイル）を達成するには大量の推進剤が必要になることです。しかし、推進剤を追加するとロケットが重くなり、軌道速度への到達が難しくなります。この悪循環は「ロケット方程式の暴政」として知られており、車ほどの大きさの衛星を打ち上げるのにオフィスビルほどの大きさの二段ロケットが必要な理由です。ロケットを二段にすることで、一段目の推進剤が使い果たされた後の重量を減らすことができますが、そもそもそれだけの推進剤を燃やさなければならないのはやはり非効率です。この点において、空気吸入式エンジンを搭載したSSTOロケットは、大幅な効率向上をもたらします。

「打ち上げ初期に空気吸入式エンジンを使用することで、酸化剤を搭載する必要がないエンジンの効率向上を活かすというアイデアです」とゴイン氏は語る。「大気圏の高度が十分高くなると、空気吸入システム用の空気がなくなり始め、ロケットを軌道への最後の推進力として利用できるようになります。」

デイビス氏が2018年にマウンテン・エアロスペース・リサーチ・ソリューションズを設立した当時、実際に機能する空気吸入式ロケットエンジンを製造した企業は誰もいなかった。NASAやロールス・ロイスなどの航空宇宙大手が試みたものの、高騰するコストと大きな技術的課題のために、すべてのプロジェクトは頓挫した。しかし、元海兵隊の航空兵器技術者であるデイビス氏は、独自の空気吸入式エンジンのアイデアを持っており、その考えを捨てることはできなかった。「スコット・ステグマン氏を雇って、それが機能しないことを証明してもらいました」とデイビス氏は語る。しかし、ノースロップ・グラマンで機械エンジニアとして働いていたステグマン氏は、数値を分析した結果、致命的な問題は見つからなかった。物理学的には、デイビス氏のエンジンは機能するはずのように思えたのだ。

ステグマンの計算によると、実物大のフェンリスエンジンはロケットに必要な酸化剤の量を約20%削減できるという。これは大幅な効率向上だが、まずはデイビスの設計が機能することを実証する必要があった。デイビスには、コンピューター上でエンジンをモデル化するための詳細な流体力学シミュレーションを実行するための資金がなかったため、二人は代わりに物理的なエンジンを作ることにした。「結局のところ、どんなに素晴らしいシミュレーションを作っても、誰も信じてくれないんです」とデイビスは言う。「自分のアイデアが妥当かどうかを実際に試してみた方が費用が安かったんです。」

デイビス氏が昨年7月にモハーベ航空宇宙港でカウントダウンを開始した時点で、彼とステグマン氏はフェンリスの試作機の開発に1年半近く取り組んでいた。デイビス氏によると、エンジン開発費用はすべて自腹で、これまでに約50万ドルを費やしたという。砂時計型のこのエンジンはトースターオーブンほどの大きさで、片側から空気を吸い込み、燃焼室で灯油と少量の酸素ガスと混合し、反対側から炎を噴出させる設計となっている。そして昨年、デイビス氏が点火装置を作動させたところ、フェンリスエンジンは始動した。

デイビス氏は、このテストが空気吸入式ロケットモーターのホットファイアリングに成功した最初で唯一の例だと主張している。これは大胆な主張だが、重要な但し書きが付いている。フェンリスエンジンは、何かを宇宙に送り出すのに十分なパワーには全く遠く及ばなかったのだ。2人はエンジンの性能に関するデータを一切公表していないが、エンジン点火のビデオでは、排気口に高性能ロケットエンジンに期待される整然とした構造が欠けていることが明らかだ。公平を期すために言えば、デイビス氏とステグマン氏は最終フロンティアを目指していたわけではない。彼らは単に、自分たちのエンジンが片側から空気を吸い込み、もう片側から爆発することなく炎を噴出できるかどうかを確かめたかっただけなのだ。「文字通り、両端に穴が開いたロケットエンジンです」とステグマン氏は言う。「これは普通ではないので、最初のテストでは非常に慎重になったのです」

デイビス氏とステグマン氏は今年後半、ワイオミング州にある廃止されたミサイルサイロで、より高度なエンジンテストを行う予定だ。最初のテストとは異なり、これらのテストではフェンリスエンジンを限界まで押し上げ、実験用エンジンから可能な限り多くのパワーを引き出すことに重点が置かれる。デイビス氏は自身のコンピューターモデルに基づき、テスト中に600秒以上の比推力を達成できると見込んでいる。比推力は、ロケットエンジンが推進剤をどれだけ効率的に使用しているかを示す指標である。NASAが保持する比推力の世界記録は542秒で、運用中の軌道ロケットのほとんどが約300秒であることを考えると、これは記念碑的な成果となる。ワイオミング州でのデモがうまく行けば、次の大きなステップはモーターの飛行実証となる。デイビス氏によると、打ち上げパートナーが見つかれば、フェンリスエンジンは早ければ2022年に飛行する可能性があるという。

歴史的に見て、デイビス氏とステグマン氏は優れた研究者だ。現代の液体燃料ロケットの誕生は、ロバート・ゴダード氏、ジャック・パーソンズ氏、ヴェルナー・フォン・ブラウン氏といったアマチュア研究者によって推進され、その後の大規模な国営ロケット計画への道を切り開いた。しかし、フェンリスがゲームチェンジャーであると確信している人は皆無ではない。

「私はこのコンセプト全体に懐疑的です」と、南カリフォルニア大学の航空宇宙工学教授で推進力の専門家であるダン・アーウィン氏は言う。一つの懸念は、大気の大部分が不活性な窒素であり、ロケットエンジン内で窒素が湿らせた毛布のような働きをする点だ。窒素は酸素と灯油の燃焼反応によって加熱されるが、反応には寄与せず、燃焼温度が低下して推力が低下する。また、窒素は燃焼室で加熱されノズルから噴出するためエンジンの推力に寄与するが、排気速度は宇宙船の速度よりも速くなければならない。そうでなければ、空気がエンジンから排出される際に、静止した大気に対して前方に移動することになり、ロケットの前進運動量が減ってしまうとアーウィン氏は言う。そのようなエンジンは不可能ではないが、信じられないほど高性能でなければならないだろう。

テキサスA&M大学の航空宇宙エンジニアであり、高速燃焼の専門家であるアドニオス・カルペティス氏も、フェンリスエンジンの実現可能性について懸念を抱いている。彼は、ロケットはほとんどの時間を超音速または極超音速で飛行しているものの、燃焼室自体はそのような状態を経験していないと指摘する。これは、エンジン自体に極超音速の気流を経験する極超音速エアブリージングエンジンには当てはまらない。これは極超音速スクラムジェットエンジンを開発する企業にとって大きな技術的課題であり、フェンリスのようなエアブリージングエンジンも飛行中に直面することになるだろう。「フェンリス装置の静的燃焼試験は、速度ゼロで行われた」とカルペティス氏は言う。「フェンリス装置が真に超音速になり、インレットから高速で空気が流れ込むとどうなるだろうか？単純な推測で、600秒比推力は急速に減少し、減衰挙動を示すだろうと予想される」

豊富な資金と豊富な専門知識を持つ組織が、空気吸入式ロケットエンジンの実現に苦闘してきた長い歴史があります。1980年代、NASAと英国の航空宇宙企業連合は、スペースシャトルに代わるSSTO（宇宙往還機）と呼ばれる空気吸入式宇宙飛行機の構想を共に追求していました。NASAの宇宙飛行機「ナショナル・エアロ・スペース・プレーン（NASP）」は、空気吸入式スクラムジェットエンジンを用いて音速の25倍まで加速し、ロケットエンジンなしで軌道に到達することを目的として設計されました。一方、英国の「水平離着陸機（Hotol）」と呼ばれる宇宙飛行機は、ジェットエンジンとロケットモーターの要素を組み合わせたハイブリッドエンジンを搭載する予定でした。

予算の制約により、両宇宙飛行機計画は完成前に頓挫しましたが、ホトルの主任エンジニアの一人であるアラン・ボンドは、この構想を諦めることができませんでした。1989年、ボンドはホトルの設計を基に、新型の空気吸込み式ロケットエンジンを開発するため、リアクション・エンジンズ社を設立しました。彼は、このエンジンを「スカイロン」と名付けた構想の宇宙飛行機に搭載することを思い描いていました。スカイロンは、2枚の細い翼の先端に空気吸込み式エンジンを搭載したロケットのような外観をしています。スカイロンのエンジンは「シナジェティック・エア・ブリージング・ロケットエンジン」（Sabre）として知られており、この宇宙飛行機はまだ構想段階ですが、このエンジンは現実味を帯びています。

Sabre の背景にあるアイデアは、エンジンの空気吸入モードを使用して、宇宙船を下層大気で極超音速まで加速し、宇宙空間の端で完全なロケットモードに切り替えることです。概念的には単純ですが、細かい点が問題となります。たとえば、エンジンが低高度で航空機を極超音速まで加速すると、気温は華氏 1,800 度に近づきます。これは、エンジン部品を溶かすほどの高温です。この課題を克服するために、Sabre は予冷器を使用して、エンジンを通じて水素燃料を循環させることで気温を下げます。これにより、空気は高度の周囲温度、つまり華氏約 -200 度まで下がります。「実質的に、コアエンジンは極超音速で飛行していることを認識していません」と、Reaction Engines のプログラムディレクター、Shaun Driscoll 氏は言います。「予冷器がその処理をします。」

空気が制御可能な温度まで下げられると、従来のジェットエンジンと同様に、コンプレッサーに送られてガス圧が高められます。その後、ロケットの燃焼室に送られ、液体水素燃料と混合されて点火され、推力を生み出します。機体が極超音速に達する頃には、大気は空気吸入エンジンが作動するには薄すぎるため、システムは搭載された酸化剤タンクに切り替え、宇宙への旅の最終段階を迎えます。

ボンド氏は2017年にリアクション・エンジンズ社を退職しましたが、セイバーエンジンの開発は順調に進んでいます。過去4年間で、同社はセイバーエンジンの開発のために1億ドル以上を調達し、ボンド氏が退任した直後、リアクション・エンジンズはコロラド州にエンジンの予冷器の試験施設を開発するため、国防高等研究計画局（DARPA）と契約しました。昨年末、同社は予冷器が極超音速条件下で発生する極度の熱に耐えられることを実証しました。これは、エンジンの完全実証に向けた大きな節目です。ほぼ同時期に、欧州宇宙機関（ESA）はエンジンの設計審査を完了し、同社にエンジンコアの試験開始の許可を与えました。