宇宙の世界へようこそ⑪「熱ロケット」

ロケットエンジンはガスを高速噴射することで推進力を得るが、化学反応以外の熱源で高圧ガスを生成するロケットエンジンのことを総じて熱ロケットと呼ぶ。熱ロケットは最終的に推進剤を加熱する方法によって区別することができ、加熱方法に応じて電熱ロケット、太陽熱ロケット、核熱ロケットなどがある。熱源を化学反応に頼らないため、メタンや水(H2O)や二酸化炭素など単体での反応性に乏しい物質も推進剤に利用可能である。

電熱ロケットは電気エネルギで推進剤を加熱するロケットであり、電気推進の一種である。抵抗器の発熱やマイクロ波やアーク放電により推進剤を加熱して高速ガスを得ている。他の熱ロケットとくらべて一液式化学ロケットと推力が近いため競合しており、姿勢制御やリブーストに使われる。

太陽熱ロケット(STR)は太陽光を巨大な集光ミラーで集めて熱交換器や推進剤を高温にする熱ロケットである。安価に高温を得られるが太陽光を充分に得られる場所でしか動作できないため、小惑星帯より内側での利用が望ましい。そのため金星や小惑星から推進剤などを輸送する貨物船に使われる。入港時には巨大なミラーを収納する必要があるため、別の熱源や化学ロケット、タグボートなどが必要である。

固体核熱ロケット(NTR)は原子炉(核分裂炉)や核融合炉を熱源としたロケットであり、化学ロケットよりも数倍大きな比推力、プラズマロケットの数万倍の高推力が達成できる。これに合わせて安価で保存性の高い推進剤が利用可能なこと、発電用の熱源と兼用できること、外部支援システムや船外の大型構造物などが不要なことから大型戦闘艦や高速旅客船のメインスラスタに適したロケットエンジンである。また推進剤に水素やメタンなど燃料を利用している場合、炉心による加熱に加えて液体酸素も投入し推力を増強することも可能である。

炉心が固体の場合は炉心材料の耐熱温度以上に推進剤を加熱することができないため、これを回避するため気体や液体の炉心を持った核熱ロケットが存在する。特にウランやプルトニウムといった核分裂燃料を臭化ウランなどに加工して水に溶かし、ノズル内で核分裂反応を発生させる核塩水ロケットは化学ロケット並の推力とプラズマロケット並の比推力を達成可能である。これは固体核熱ロケットよりも高性能で、まさに理想のロケットエンジンと呼ぶに相応しい。

しかし核分裂燃料は核弾頭製造に流用することが可能である。IAEAなどは核分裂燃料の計量管理により違法な核兵器開発を予防しているが、宇宙という広大な社会で気体や液体の核燃料を大規模に運用すると厳密な計量管理が困難になる恐れがある。そのため商業規模で核熱ロケットを利用する際は、最低でも固体核熱ロケットにして管理を容易にし、可能であれば核融合や太陽熱などに置き換えることが望ましい。

参考資料
・サーマルロケット(英語wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_rocket
・レジストジェットロケット(英語wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Resistojet_rocket
・マイクロ波電熱スラスター(英語wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Microwave_electrothermal_thruster
・DCアークジェット(wiki)　https://ja.wikipedia.org/wiki/DC%E3%82%A2%E3%83%BC%E3%82%AF%E3%82%B8%E3%82%A7%E3%83%83%E3%83%88
・太陽熱ロケット(英語wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_rocket
・核熱ロケット(英語wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_thermal_rocket
・核熱ロケット推進(webアーカイブ)https://web.archive.org/web/20130611233450/http://trajectory.grc.nasa.gov/projects/ntp/
・原子力ロケットの現状と未来(九州大学先進宇宙ロケット工学研究室（山本研究室）)(pdf)　http://art.aees.kyushu-u.ac.jp/research/LFR/papers/AtomicEnergySocietyJapan2014.pdf
・原子力ロケット(電気学会雑誌)(pdf)　https://www.jstage.jst.go.jp/article/ieejjournal1888/93/6/93_6_524/_pdf
・次世代ロケットエンジンの現状と課題(pdf)　http://www.eie.eng.osaka-u.ac.jp/le/archives/pss2010/files_presentations/Yamamoto.pdf
・パルス核熱ロケット(英語wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Pulsed_nuclear_thermal_rocket
・気化炉心ロケット(英語wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_core_reactor_rocket
・核塩水ロケット(英語wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_salt-water_rocket
・NUCLEAR SALT WATER ROCKETS: HIGH THRUST AT 10,000 SEC ISP(英国惑星間学会誌)(pdf)　http://path-2.narod.ru/design/base_e/nswr.pdf
・保障措置とは(公益財団法人 核物質管理センター)　https://www.jnmcc.or.jp/business/safeguards/tabid114.html
・国際原子力機関（IAEA）保障措置(外務省)　https://www.mofa.go.jp/mofaj/gaiko/atom/iaea/kyoutei.html

画像出典　Nerva - nuclear rocket engine.jpg
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nerva_-_nuclear_rocket_engine.jpg