スペースX、エンジン質量を据え置いたままラプターの海面推力を高める方法

イーロン・マスク氏は、スペースXの次世代エンジンであるラプター4について、海面高度での推力を300トンとし、質量はラプター3とほぼ同じになる見込みだと述べた。ラプター1から4までの推力は6割以上増える一方で、エンジン質量は減ってきており、推力と質量の比は大きく改善している。

ラプター1は推力185トン、質量約2,080キログラムだった。ラプター2は推力230トン、質量約1,630キログラムに改良され、ラプター3はスペースXの公表データで推力280トン、質量約1,525キログラムが目標とされている。運用上の飛行定格としては250トン前後が挙げられている。ラプター4の300トンという数字はマスク氏の発言であり、まだ飛行で実証された値ではないことに注意が要る。超重量級ブースターのスーパーヘビーには33基のエンジンが搭載されるため、300トン級になれば離床時の総推力は約9,900トンに達する。これはF-1エンジン5基で約3,400トンを出したサターンVの、ほぼ3倍にあたる。

海面高度での推力が重要なのは、機体が最も重く、地球の重力と濃い大気の影響を最も強く受ける離床直後に効く力だからである。推力重量比が上がれば加速が速まり、重力損失を抑えられる。記事によれば、重力損失は打ち上げ後の1〜2分で大きく、ここを短縮できれば、その分の推進剤のエネルギーを軌道速度への到達や搭載量の増加に回せる。スーパーヘビーのエンジン数は機体の直径や配置密度で制約されるため、1基あたりの推力を上げることが、機体構造を大きく変えずに打ち上げ性能を高める最も直接的な方法になると考えられる。

質量を据え置いたまま推力を上げることは、エンジン単体の性能向上にとどまらない。エンジンを支えるために必要な構造や推進剤の質量比も下がるため、その余裕は推進剤、搭載量、あるいはエンジン1基が停止した場合の余力に振り向けられる。記事は、ラプターの世代が進むにつれて熱遮蔽板のような機体側の装備も簡素化・削減されてきたと指摘している。スターシップについては、低軌道への100トン超という再使用時の打ち上げ能力が目標に掲げられており、それが軌道上での推進剤補給、月ミッション、将来の火星への貨物・有人飛行を支える土台になると記事は位置づけている。

製造業の立場から見ると、推力の伸びは燃焼器、タービン、ポンプなどの部品に対して、耐熱性、耐圧性、軽量化の要求がさらに厳しくなることを意味する可能性がある。推力を増やしながら質量を抑えるには、材料や精密加工、検査技術の水準が問われるため、そうした技術を持つ部品・素材メーカーにとっては、要求仕様の高度化が新たな関わりの機会になりうると推測される。ただし記事は個々の部品仕様や調達先には触れていないため、ここで述べたことはあくまで推測の域を出ない。

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