宇宙との距離を縮めた20世紀
アメリカでライト兄弟の飛行機が初めて空を飛んだ1903年に、ロシアではツィオルコフスキーがロケットで宇宙に到達する方法を研究した論文を発表しました。それから半世紀たった1957年に、最初の人工衛星スプートニク１号の打ち上げが成功し、それに続いてアポロ有人月探査船、さまざまな惑星探査機、ハッブル宇宙望遠鏡などが打ち上げられました。これらによって人類は、真暗な空間に浮かぶ青く美しい地球の姿、月や惑星の構造と起源、そして数百万光年以上の彼方で繰り広げられる壮大な天体現象について数え切れない新たな知識を手にしました。また、一方で人工衛星を利用した天気予報、放送、カー・ナビなどが日常の暮らしに深く入り込んでいます。
さらに、1998年11月からは日本を含む16カ国が協力して、人間が宇宙環境に常駐して活動するために国際宇宙ステーションを衛星軌道上で建設中です。
空気を利用した新エンジン・プラン
宇宙ステーションの建設・維持と、それを利用した研究・開発を積極的に進めるためには、地表―軌道間を人や物資が安全かつ低コストで往復できなければなりません。これまでの衛星打ち上げに例外なく使われてきたロケットエンジンは、真空の宇宙空間でも燃焼を行い推進力を発生できますが、燃料の５〜６倍重い酸化剤も機体のタンクから供給を受けなければなりません。
ここで注目したいのは、高度35km程度までは海面の約100分の１以上の密度で空気が存在していることです。これを燃焼に使えば、機体に積む酸化剤を減らし、積荷を増やしたり機体を完全に再使用することが可能になり、打ち上げコストを大幅に引き下げることが期待できます。
人工衛星になるためには、音速の約26倍（マッハ26）まで加速しなければなりませんが、空気利用の効果をあげるためには離陸からマッハ10前後まで空気を吸い込んで作動する新形式エンジンが必要です。その有力候補の一つがロケット―空気吸込み複合エンジンです。
図はこのエンジンの一形態で、離陸と低速飛行時はエジェクタ・モードで作動し、十分速度が得られたらラム／スクラムジェット・モードに切り替え、最後はロケット・モードで軌道に到達します。エジェクタ・モードでは、エンジン前方の空気取入れ口を開けた状態でロケットを作動させ、ロケット排気の勢いで空気をエンジン内に引き込み、推進力を増強します。飛行速度が上がってラム／スクラムジェット・モードに切り替わるとロケットは停止しますが、空気は自身の風圧により圧縮されてエンジンに流れ込みます。そこに燃料を噴射し燃焼させて推進力を得ます。最後のロケット・モードでは、空気取入れ口を閉じて再びロケットに点火し、その推進力のみで加速します。
空気吸込み複合エンジンの課題
このエンジンを実現するためには、エジェクタ・モードではロケットの空気の流量や燃料との混合比に合わせた空気流路形状の選定、ラム／スクラムジェット・モードでは毎秒1000mを超える高速空気流れの中に噴射された燃料の迅速な混合と安定した燃焼や、衝撃波と燃焼の干渉、そしてエンジン・システム全体としては作動モードの切り替え時期の選定など多くの研究課題があります。
私たちは宮城県角田市にある航空宇宙技術研究所角田宇宙推進技術研究センターと協力して、20世紀初頭に芽吹いた航空工学と宇宙工学の融合によって完成されるロケット―空気吸込み複合エンジンの研究を行っています。
