ソ連・ロシアのロケットエンジン設計思想, Rocket Engine Design philosophy of the Soviet and Russia

ソ連・ロシアのロケットエンジン設計思想
Rocket Engine Design philosophy of the Soviet and Russia

以前、ロシアのS2.720ロケットエンジンの運用マニュアルを海外から手に入れた。総ページ数が相当あり、全てロシア語なので、理解がなかなかおぼつかないが、インジェクター部分だけ見ても面白い内容だったので、記事を書く。何故この様に作っているのかの記述が全くないので、以下は全て私の考察である。

1.　ソ連・ロシア式インジェクターの特徴、遠心式インジェクター

      Characteristics of the Soviet-Russian Rocket Engine injector,

      Centrifuge Injector and Swirl Injector

ロシア・ソ連の設計思想や考え方は各国とは一味違った物が多い。斜め上の発想、目の付け所が違うと唸らされる事がある。この様な独特の考え方は、ミサイル用のロケットエンジン開発にも反映されていると言える。

冷戦時代、ソ連の宇宙ロケットは、ミサイルを転用したため、それらに準じている。戦場での信頼性が重視され、なおかつ戦線に大量供給するための大量生産品を作るにあたって必要な設計思想とはどういった物だったのだろうか？



ソ連・ロシアのロケットエンジンでは、「遠心式インジェクター」がよく使用される。これは、英語だと、「Centrifuge injector」（遠心インジェクター）、「swirl injector」（渦インジェクター）と呼ばれる物がそれである。

実際に、流路にネジの様に形状を切って、液体を旋回させる。あるいは、インジェクター内部に横穴を2つ以上開け、液体を旋回する仕組みになっている。

遠心式インジェクターがどの様に噴射されるかは、下記図にGIF動画で示す。これは、ロシアのロケットエンジンの仕組みをシャワーに応用した製品の概要を示した画像であるが、仕組みは同じである。

インジェクター内部において、2つ以上の横の穴から圧力をかけた液体を注入する。インジェクター内部にて液体を回転させてやり、出口から噴射する。

すると、液体は旋回しているにも関わらず、噴射の際、壁を失うので、遠心力で円錐状に広がり、微細な粒子として噴霧される。

加えて、インジェクターは一つだけでなく、隣り合った複数のインジェクターから噴射された円錐状に広がった微細な霧が、互いに衝突してより微細な粒子となる。この仕組みにより燃料・酸化剤を微粒化してロケットエンジン燃焼室に噴霧し、効率の良い燃焼を実現させるのだ。

遠心式インジェクターの仕組み概要（左側）

隣接する複数のインジェクターから噴射された推進剤が円錐状に広がった様子

遠心式インジェクターをロケットエンジンに採用したソ連の設計局は多い。S2.720ロケットエンジンもその内の一つである。

S2.720を開発したOKB-2 イサエフ設計局では、有名なスカッドミサイルのS5.2ロケットエンジンの開発も手掛けており、こちらも遠心式インジェクターを採用している。（S2.720は横穴型に対して、S5.2はネジ流路型ではあるが）

また、OKB-456 グルシュコ設計局も同様であり、ソ連・ロシアのロケットエンジンとして、特に有名なソユーズロケットのRD-107／RD-108 も遠心式インジェクターである。

 

RD-108 ロケットエンジン断面図（©Orbit Seals）

遠心式インジェクターの概念は、ORM-12 ロケットエンジン（ネジ流路型）においてグルシュコがソ連において初めて発明した。このインジェクターの基礎的なアイデア自体はソ連でオリジナルとして開発された。実際、ソ連のロケット迎撃戦闘機 BI-1には、遠心式インジェクターが搭載されている。

しかしながら、戦後の急速なロケットエンジン工学の発展については、戦後ドイツの技術を取り込んだ上で、その後改良発展させたと考えられる。

下記にV-2 ロケットエンジンのインジェクターエレメントを示す。燃料（アルコール）側には、この遠心式インジェクターの設計が既に実装されていた。

　

V-2のロケットエンジン インジェクター断面図

　

実際のV-2のロケットエンジンと、インジェクター部の写真

ソ連では、ネジ流路式による遠心式インジェクターは戦時中に開発された。筆者が確認出来た範囲では、横穴式の遠心式インジェクターは、戦後に開発されている。これは、ドイツのV-2の影響を受けていると考えられる。

2.　S2.720 ロケットエンジン インジェクターの仕組み概要

　　Outline about mechanism of S2.720 rocket engine injector

　　 

S2.720 ロケットエンジンのインジェクター断面図（©Orbit Seals）

上記の図は、OKB-2 イサエフ設計局で開発された、S2.720ロケットエンジンのインジェクターエレメントである。

ロケットエンジンの噴射口（インジェクター）の断面図を示している。このインジェクターは、横の穴から燃料・酸化剤が注入される形式、横穴型の遠心式のインジェクターである。

インジェクターエレメント内部で旋回させて噴射する。燃料・酸化剤は旋回しているにも関わらず、噴射の際に壁を失う。遠心力で円錐状に広がり、微細な粒子として燃焼室に噴霧される。

内側は事前にC-C断面で示すように2箇所の流路から旋回流を発生させ流路を絞った後、下方に向かって噴射を行う。外側も事前に旋回流を発生させる。

д-д断面で示しているが、こちらは4箇所の流路から旋回流生成して流路を絞った後、下方に向かって噴射する。噴射後は同軸型インジェクターとして機能する。どうやらこの構造は、衝突型インジェクター（同時に旋回流を発生させる）と同軸インジェクターが混合した2重の混合機能を有したインジェクター構造になっているようだ。

流路を絞っているのは、整流と流量調節の2つの効果を狙っているものと考えられる。

ところで、AIAAの「Combustion Instabilities in Liquid Rock Engines: Testing and Development Practices in Russia」というロシアのロケットエンジンエンジンを扱った本に、このインジェクターの断面図が掲載されているかと思ったが、この方式のインジェクターは記載されてなかった。この形式のインジェクターは、西側のどこの専門書にも掲載されていない。

3.　製造しやすい設計、製造しやすさにこだわった設計, The Design easy to manufacture

製造において「作りやすさ」は、極めて重要である。このインジェクターは、例えば内側は3つの異なる径のドリルがあれば切削可能である。流量を絞るためにテーパーはそのまま使え、処理は気にしなくて良い。

インジェクターはロケットエンジンの部品の中で最も加工精度に気を使う場所と言っても過言ではない。

例えば衝突型インジェクターの場合、軽量に作るためにはインジェクタープレートに対して斜めにドリルで精度良く穴を空ければ良い。

しかし精度が劣れば、液体同士の衝突がずれて真っ直ぐ噴射せず斜めに噴射し、エンジン壁面に当たって損傷を起こす。構造は簡単だが、加工精度が必要となる。

しかしS2.720のインジェクターは違う。まず同軸型にする事で壁面への干渉の可能性を避けている。それでいて、同軸で噴射する以前に流体を旋回させる構造にすることで衝突型インジェクターと同じ様な効果を得ている。しかも構造は作りやすそうだ。

このインジェクターは基本的に、「旋盤とドリル」さえあれば作れる極めて直線的な設計なのである。西側の衝突型インジェクターに見られるような、精度良く小さいドリルで斜めに加工する部品など一つもない。旋回させる部分ですら、直線的にドリルで穴を空けるだけである。

重量は重くなるし、加工手順も多くなる。しかし一つ一つの加工は簡単であり、加えて加工精度が悪くとも、一定の性能が出ると考えられる手堅い設計であるように見える。加工も分担しやすそうだ。

エンジンの大型化もインジェクターを増やすだけで、比較的容易であろう。ここにソ連・ロシアの設計思想が垣間見える。作り手側の立場になってこれをどう作ろうかと考えた時、良く考えられた設計だと感心させられる。

ソ連では、航空機の性能よりも量産性を重視したというエピソードも多々耳にする。製造も加味して上で、総合的に考えられた設計思想がそこにある。

4.　ソ連・ロシアのインジェクターの製造方法

      How to manufacture Soviet-Russian rocket engine injectors

インジェクターエレメントのハウジング製造方法概要

実際には、どの様にS2.720は製造されていたのだろうか。それらの資料については、手元にないが、他の遠心式インジェクターを持つロケットエンジンの製造方法を上記に示す。これより、先に考察、想像した製造手法と大体、同じで合っている様である。

資料は、ロシアのロケットエンジン製造手法の文献から引っ張ってきたもので、インジェクターエレメントのハウジング製造概要である。


インジェクタハウジング・ノズル製造における主な難しさは、直線性を維持することにある。噴射孔は非常に小さく、それに対するインジェクター本体の相対的長さは大きい。

ドリルによる切削は段階的に行われる。加工材料に対して、まず大径ドリルで大きな直径を加工し、次に小径ドリルで小さな直径を作る。これにより、大雑把ではあるが、大径から小径に接続されるテーパリング部分は、そのままインジェクタのテーパー部として使用出来る。

加工後に中心軸を取るのは難しいので、最終的な仕上げは、芯出しをしなくても良いセンターレス研磨機によって実施する。


最後に、一般的な知識の話になるが、ソ連・ロシアのロケットエンジンのインジェクターを構成する部品は別々に製造し、最終的に統合する。このため、最終的にろう付けや熱処理等が必要となる。

それぞれのインジェクタは、インジェクタープレートに組み込む前に、インジェクター毎に事前試験を実施する。これは噴射特性の検証のみならず、品質を保証する。個々のインジェクタは、製造にあたって大きく、以下の条件を満たす必要がある。

1. 高強度の確保、インジェクター内部空洞の精密性
2. 流体噴射特性の精度
3. インジエクターの噴射口・ノズルにおける公差許容値は、約±0.1～0.3mmに抑える。
4. コンポーネント全体の公差許容は、それぞれのインジェクタにおいて、インジェクター入口から出口（噴射口）までで、1～4％以下。
5. インジェクターの噴射軸は燃焼室軸と一致しなくてはならない。

5.　余談：ロケットエンジンの技術を応用したシャワー：Nebia Shower

　　Coffee Break：Shower applying rocket engine technology

先のGIF動画で紹介したが、ロケットエンジンのインジェクター技術を基にしたシャワーヘッド：Nebia Showerが販売されている。

この仕組みは、ソ連・ロシアのロケットエンジンによく搭載されている、遠心式インジェクターを採用しており、従来に比べて70%の節水が可能となったそうである。

このシャワーヘッドは、想定圧力は弱いが、遠心式インジェクターに対する、水流し試験そのものなので、どの様に、水が噴霧されるかは一見の価値がある。

References
[1] S2.720 Rocket Engine Users Manual
[2] Combustion Instabilities in Liquid Rock Engines: Testing and Development Practices in Russia, AIAA
[3] http://shapeshifting.tumblr.com/post/52230866791/thingsmagazine-soviet-surface-to-air-missile
[4] German V-2 Compiled by Kimble D. McCutcheon Unless Noted Otherwise,
     http://www.enginehistory.org/Museums/USSRC/USSRC_V-2.shtml
[5] ロケット工学 (機械工学大系 32), 佐貫亦男 著, 1970
[6] https://www.rakunew.com/items/71655