SpaceXがラプターエンジンをどのように合理化したか

SpaceXはどのようにRaptorエンジンを合理化したか

この記事を読んでいるあなたは、SpaceXのRaptorロケットエンジンの3つの改良版の有名な画像を見たことがある可能性が非常に高いでしょう。RaptorエンジンはSpaceXのStarship宇宙船のために開発されました（Falcon 9とFalcon HeavyはMerlinエンジンを使用しています）。2016年に初めてテスト燃焼され、2019年にStarhopperで初飛行、2020年にStarshipプロトタイプで初飛行、そして2023年にはStarshipスタック全体で初飛行しました。それ以来、改良は続けられ、Raptor 1で見られる配管や配線の絡まりから、今年5月に初飛行したRaptor 3の滑らかで合理化されたデザインへと進化しました。

この進化は非常に劇的であったため、多くの人々が当初はそれが現実ではないと信じていました。当時のUnited Launch AllianceのCEOであったTory Bruno氏は、「部分的に組み立てられたエンジンを見せることで誇張する必要はない」とツイートしました。これに対し、SpaceX社長のGwynne Shotwell氏は、Raptor 3が成功裏に燃焼している写真とともに返信しました。

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この合理化は、性能の顕著な向上とともに実現しており、Raptor 3はRaptor 1の約35%増しの推力を提供します。

私は、この進化が具体的にどのようにして起こったのかをより深く理解したいと思いました。配管や配線の絡まりから右側の洗練された合理化されたエンジンへと移行できたのは、具体的にSpaceXは何を変更したのでしょうか？

これについては、期待していたよりも詳細な情報は少ないことがわかりました。SpaceXは公式のRaptorの系統図を公開しておらず、Raptorエンジンの分解を行った人もいません。しかし、Elon Musk氏の時折のコメントや、多数のSpaceXファンの推測のおかげで、主な変更点が何であったかについてのアイデアを得ることができます。

Raptorエンジンの仕組み

Raptorエンジンは「フルフロー・ステージド・コンバッション（FFSC）」エンジンです。これは具体的に何を意味するのでしょうか？

ロケットエンジンは、質量（「推進剤」）をロケットノズルから噴射することで機能します。ニュートンの第三法則（「すべての作用には、等しく反対の反作用が働く」）により、これによりロケットは反対方向に推進されます。より多くの質量を噴射でき、より速く噴射できるほど、ロケットエンジンはより大きな推力を生み出します。

これを実現する最も簡単な方法は、加圧されたガスタンクを満たし、そのガスの一部を放出することです。放出されるガスは、風船の空気を抜くと風船が飛んでいくのと同じように、ロケットを推進します。このようなロケットは「コールドガススラスタ」と呼ばれ、宇宙船の位置や姿勢の微調整によく使用されます。コールドガススラスタは、NASAのManned Maneuvering UnitやSpaceXのFalcon 9ロケットの制御スラスタなど、多くの機器に見られます。

これらのエンジンはシンプルで信頼性がありますが、限界があります。コールドガススラスタから実用的に得られる推力には限りがあります。では、どうすればより大きな推力を得られるのでしょうか？明らかな方法の一つは、単一の推進剤ではなく、2つを使用することです。燃料（ケロシンなど）と酸化剤（酸素など）を取り、それらを燃焼室で一緒に燃焼させ、熱いガスをロケットノズルの後部から噴出させます。これにより、単に加圧された推進剤に蓄えられたエネルギーを使用するだけでなく、化学結合に蓄えられたエネルギーも利用し、そのエネルギーを推力に変換します。推進剤タンクの圧力を利用して燃料と酸化剤を燃焼室に送り込むエンジンは、「プレッシャーフィードエンジン」と呼ばれます。アポロ月着陸船の打ち上げステージに使用されたエンジンはこのタイプのエンジンでした。それは酸化剤として四酸化二窒素（N2O4）と、Aerozine 50という燃料を使用し、どちらも加圧されていました。

しかし、ここで問題が生じます。燃焼室内の燃焼ガスが燃料および酸化剤ラインに逆流するのを防ぐ（燃焼室への推進剤供給を妨げる）ためには、燃焼室内の圧力は、燃料および酸化剤タンクとライン内の圧力よりも低くなければなりません。しかし、コンパクトで強力なロケットエンジンには、燃焼室内に非常に高い圧力をかけたいと考えます。これは、推進剤貯蔵圧力を上げることで対処できますが、これはすぐに非現実的になります。圧力が高いほど、それらを破裂せずに維持するために、貯蔵タンクと推進剤ラインはより厚く、より重くする必要があります。より良い解決策は、低圧で推進剤を貯蔵し、燃焼室に到達する前にポンプで圧力を上げる方法です。これは強力なロケットエンジンを構築するための標準的な方法であり、軌道投入に使用されるほぼすべての強力なロケットエンジンは、燃料と酸化剤を加圧するために何らかのポンプを使用しています。

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Saturn Vロケットに使用されたF-1エンジン。燃料と酸化剤のポンプは右上にある。

ここで新たな問題が生じます。これらのポンプは、処理しなければならない流体の量と、加えなければならない圧力の量のために、動作に膨大な量の電力が必要です。例えば、Saturn Vに使用されたF-1エンジンのターボポンプは、約41メガワットの電力を必要としました。これは、オハイオ級潜水艦の推進軸にS8G原子力炉が供給する電力（約40メガワット）とほぼ同等です。この電力を供給する一つの方法はバッテリーですが、Rocket LabのElectronロケットにはバッテリー駆動の電動ポンプを備えたエンジンがあります。しかし、ほぼすべての大型ブースターロケットで採用されているより一般的な戦略は、ロケット自身の推進剤を動力源として使用し、少量の燃料と酸化剤を燃焼させてタービンを駆動し、そのタービンがポンプを駆動するというものです。

このようなシステムは、さまざまな方法で構成できます。最も簡単なのは、少量の燃料と酸化剤をタービンに送り込み、その結果生じる排気を放出することです。これは「ガスジェネレーターサイクル」として知られており、F-1エンジンやSpaceXのMerlinエンジンで使用されています。

もう一つの選択肢は、燃料と酸化剤の一部を燃焼させてポンプを駆動し、その後、燃焼した推進剤を未燃焼の燃料/酸化剤とともにメイン燃焼室に送ることです。これは「ステージドコンバッション」として知られており、ポンプを駆動するために使用されるより小さな燃焼室は「プレバーナー」と呼ばれます。これはガスジェネレーターサイクルよりも複雑な構成ですが、ターボポンプを駆動する熱い排気が無駄に放出されるだけではないため、より効率的です。

ほとんどのステージドコンバッションエンジンでは、推進剤の一部のみがプレバーナーを通過します。残りは迂回され、直接燃焼室に送られます。しかし、SpaceXのRaptorは「フルフロー」として知られる特定のタイプのステージドコンバッションを使用しています。フルフローエンジンでは、燃料ポンプを駆動するプレバーナーと、酸素ポンプを駆動するプレバーナーの2つがあります。すべての推進剤がプレバーナーを通過します。一方のプレバーナーでは、少量の酸化剤が大量の燃料の存在下で燃焼され（大部分の燃料は未燃焼のまま）、もう一方では少量の燃料が大量の酸化剤の存在下で燃焼されます（大部分の酸化剤は未燃焼のまま）。燃料リッチな排気流と酸化剤リッチな排気流は、その後、両方ともメイン燃焼室に入り、そこで一緒に燃焼されます。

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フルフロー・ステージド・コンバッションの系統図、出典：Wikipedia。

フルフロー・ステージド・コンバッションエンジンは非常に複雑であり、Raptor以前には2基しか製造されておらず、どちらもロケットで実際に飛行することはありませんでした。ロシアは1960年代にRD-270というFFSCエンジンを開発しましたが、飛行することはありませんでした。また、米国は1990年代から2000年代にかけてIntegrated Powerhead DemonstratorというFFSCエンジンの部品を製造しましたが、完全なエンジンには開発されませんでした（SpaceXが2012年にRaptorの開発に着手した際、Integrated Powerhead Demonstratorで使用されていた機器の一部を入手しました）。しかし、FFSCエンジンにはいくつかの利点があり、その一つは（理論的には）信頼性です。ポンプを駆動するタービンを通過する質量が大きいため、タービンはより低温で低圧で動作でき、（理論的には）より信頼性が高くなります。再利用可能なロケットに大きく賭けている企業にとって、より信頼性の高いタービンは明らかに魅力的です。

Raptorの進化

SpaceXは、当然のことながら、その高度なロケット技術の多くの詳細については口が堅く、Raptorがどのように動作するかについての正確な詳細に関する公式情報は期待よりも少ないです。Raptorエンジンを開けて内部を見た人はおらず、存在する情報の多くはElon Musk氏のツイートやEveryday Astronautのインタビューでのコメントから来ています。

しかし、多くのSpaceX愛好家がおり、彼らの多くは工場から出荷されるRaptorエンジンを執拗に撮影するなどしていますが、彼らはRaptorエンジンの仕組みについて推測するために多大な労力を費やしています。この推測の中で、私にとって最も有用な成果は、Raptorエンジンがどのように動作すると考えられているかを示す、さまざまなファン作成の系統図です。これらの系統図は公式のものではなく、SpaceX愛好家が様々な情報源から情報を集めて作成したものです。そのため、大きな注意を払って解釈する必要があります。しかし、それらは、さまざまなバージョンのRaptorエンジンがどのように機能したと人々が考えているかについてのアイデアを得るための有用な出発点となります。

まず、Raptorのバージョン1の系統図を見てみましょう。以下の画像は、ロシアの推進技術エンジニアであるElisei Maslov氏が2019年に作成したものです。

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RedditのElisei Maslov氏提供。

もう一つ有用なRaptorバージョン1の系統図は、NASASpaceFlightフォーラムのメンバー「hisdirt」氏が2019年12月に作成した以下のものです。これは、実際のエンジンの3Dモデル（なんとRevitでモデリングされている）に様々なエンジンコンポーネントを明記しているため、特に有用です。

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NASASpaceFlightの「hisdirt」氏提供。

これらの系統図から、フルフロー・ステージド・コンバッションエンジンの基本的なコンポーネントを見ることができます。酸素ポンプ、タービン、プレバーナーはエンジンの上部にあり、燃料ポンプ、タービン、プレバーナーは側面のユニットです。また、燃料がノズルの外側を通ってプレバーナーに戻る様子もわかります。これはノズルを冷却し、ロケット排気の熱で溶けるのを防ぐためのもので、「再生冷却」として知られています。

次の系統図は、NASASpaceFlightのユーザー「Livingjw」氏と「HVM」氏が2022年2月に作成したもので、Wikipediaから来ています。これはRaptorのバージョン2を示しています。Maslov氏の系統図よりも詳細度は低いですが、基本的に酸素とメタンの流れを示しています。しかし、基本的な配置は同じです。酸素ポンプユニットが上部に、燃料ポンプユニットが側面にあります。

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そしてこの系統図は、Twitterユーザー「TheSpaceEngineer」氏が2025年1月に投稿したもので、Raptorのバージョン3を示しています。

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これらの系統図が大きく誤解を招くものではないと仮定すると、エンジンバージョン1からバージョン3の間で主要なアーキテクチャは変更されていないことがわかります。依然としてフルフロー・ステージド・コンバッションエンジンであり、酸素ポンプ、タービン、プレバーナーユニットが上部に、燃料ポンプ、タービン、プレバーナーが側面に搭載され、燃料がノズルを再生冷却するために使用されるという基本的な配置は同じです。また、多くの小さな配管がバージョン1と3で同じであることがわかります。どちらもパージ（システムから推進剤を排出する）に使用される窒素ラインを示しており、どちらも点火装置に燃料と酸化剤のラインがあり、どちらもタンクが空になるにつれてタンクを加圧するために気体推進剤の燃料と酸化剤ラインをタンクに戻しています（これは「自生加圧」として知られています）。

では、何が変わったのでしょうか？バージョン1とバージョン3の系統図を注意深く見ると（これらが非公式で推測的なものであることを再度念頭に置いて）、いくつかの違いが見られます。バージョン3は、小さな配管が「共通アンビリカル」に束ねられていることを示しており、ロケットに接続されたRaptor 3の写真を見ると、これが確認できます。

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Raptor 3、出典：Starship SpaceX wiki。共通アンビリカルは燃料ターボアセンブリの上にあるようです。

バージョン1の系統図では、燃料と酸素タービンを最初に回転させるためにヘリウムが使用されていることが示されていますが、バージョン3ではこれらのラインが削除され、代わりに窒素が使用されています。（この進化が正しいかどうかは私には驚くほど明らかではありません。バージョン1の系統図に関するRedditのコメントでは、ヘリウムは使用されていないと述べられていましたが、それを示す証拠がいくつかあります。）これらの系統図によると、バージョン1に存在する一部のバルブを制御するために使用されていたヘリウムもバージョン3にはなく、バージョン3の系統図にはヘリウムラインは一切示されていません。

バージョン3の系統図では、熱交換器が削除されたことも指摘されており、これはNASASpaceFlightフォーラムの様々な人々によっても言及されています。これはプレバーナーの近くにあるガス状酸素熱交換器のようです。バージョン1には存在するがバージョン3の系統図にはない、プレバーナーへの燃料ラインもあります。

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バージョン1

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バージョン3

もちろん、より信頼性の高い変更のソースは、Elon Musk氏とSpaceXの発言です。Starshipの進捗状況に関するSpaceXのアップデートについての2022年のNASASpaceFlightの記事は、「ターボ機械からチャンバーノズル、電子機器まで」すべてがRaptor 2で再設計され、ターボポンプが小型化され、プレバーナーコントローラーが「エンジン全体に散らばっていたものがボックスに移された」と指摘しています。同じアップデートに関するEveryday Astronautの記事も、「多くのバルブがバルブプレートに統合された」と述べています。Yishan Wong氏（元Reddit CEO）の9月5日のツイートへの最近の返信で、Musk氏はRaptorの時間の経過に伴う変更点の短いリストをまとめました。

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ここでの大きなカテゴリの一つはセンサーであり、それらに必要な様々な配線とケーブルです。私の理解では、Raptorバージョン1は、開発エンジンの大部分であり、エンジンの様々な部分の温度や圧力などの動作を監視するための追加センサーが多く必要でした。エンジンが調整されるにつれて、これらのセンサーの多くは削除できるようになりました（ただし、一部は内部に移された可能性があります）。

Musk氏が指摘するもう一つの点は、メインチャンバーのスパーク点火装置です。点火装置は、その名の通り、メイン燃焼室の燃料と酸化剤に点火します。これらはRaptorのバージョン1に存在しましたが、バージョン2までには削除されました。Musk氏は、それが何に置き換えられたかについては述べていませんが、この変更は、プレバーナーからの熱い燃料と酸化剤の排気流が、燃焼するためにほとんど促しを必要としないという事実と関係があるかもしれません。（2019年のNASASpaceFlightのコメントでは、プレバーナー排気流の高温を考えると、メインチャンバー点火装置が本当に必要かどうか疑問視しています。）

Musk氏はまた、多くのボルト締結フランジ接続が溶接接続に置き換えられたと述べており、これにより質量と漏洩する可能性のある接点が削減されましたが、保守性は犠牲になりました。これはまだ進行中のようです。初期のRaptor 3の写真では、エンジンの本体に大きなボルト締結フランジが見られますが、後の写真ではそれが削除されています。

Raptor 3におけるもう一つの substantial な変更点は、配管の多くが削除されたのではなく、多くのコンポーネントを3Dプリントすることで内部に移されたことです（Musk氏は以前、SpaceXが「世界で最も高度な3D金属印刷技術を持っている」と述べており、2024年には同社はVelo3Dの3D金属印刷技術をライセンス供与しました）。

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実際、Raptor 3のクローズアップ写真は、3Dプリントのラインを示しているように見えます。

この内部化の目的は、特に熱シールドと消火システムなど、より多くの部品を削除することです。バージョン1とバージョン2のRaptorの巨大なワイヤーと配管の塊は、ロケット排気の熱から保護するために大きな重い熱シールドを必要としました。様々な推進剤ラインを内部化し、内部冷却システムを追加することで、この熱シールドと消火システムを削除することが可能になりました。実際、Raptorのバージョン1からバージョン3への質量変化の大部分は、「ビークルサイド」のエンジンハードウェアの質量削減によるものであり、これはほぼ間違いなく大部分が熱シールドによるものです。

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熱シールドを備えたRaptorエンジン。

結論

SpaceXのRaptorエンジンは、短期間でいくつかの主要バージョンを経て、性能の劇的な向上、そして質量と外部コンポーネントの劇的な削減という、印象的な進化を遂げました。エンジンの基本的なアーキテクチャは変わっていません。依然としてフルフロー・ステージド・コンバッションエンジンであり、同じ主要コンポーネントを使用していますが、その運用をサポートする様々な補助的な要素とコンポーネントは大幅に変更されています。

この合理化により、個々の部品が削除されたという意味でRaptorエンジンはよりシンプルになりましたが、（Musk氏が指摘するように）それが機能するようにするには、依然として途方もなく複雑な作業であり、これらの写真には写っていないRaptor 3の内部には膨大な複雑さが追加されています。そして、問題は完全に解決されたわけではありません。Starshipのフライトテスト13の最初の打ち上げ試行は、今年7月に数基のRaptor 3エンジンが始動しなかったため、T-0（リフトオフ直前）で車両のフライトソフトウェアによって自動的に中止されました。したがって、Raptorのいくつかのバージョンの写真は、進化し続けている技術の一部を切り取ったものです。