Fuel-Bound Oxygen Penalty and System-Level Screening of Oxygenated Fuels for LOX Rocket Propulsion: A NASA CEA Thermochemical Assessment

技術要約：LOXロケット推進における燃料結合酸素のペナルティと酸素含有燃料のシステムレベル・スクリーニング

問題提起
液体ロケット燃料の選定には、理想的な熱化学性能、推進剤の密度、酸化剤の必要量、および運用上の制約の間における複雑なトレードオフが伴う。RP-1（炭化水素の参照燃料）は、その高いエネルギー密度とエンジニアリング上の実績から、LOX（液体酸素）適合推進剤の標準として残っているが、酸素含有燃料（エーテル、アルコール、有機酸）は、すす生成の低減といった潜在的な利点を提供する。しかし、「燃料結合酸素」の存在は根本的なトレードオフをもたらす。すなわち、外部からの酸化剤／燃料（O/F）質量比を減少させる可能性がある一方で、それが炭素－水素結合による発熱量に寄与できるはずの分子質量を占有してしまうのである。予備的な比較はしばに理想的な比推力（$I_{sp}$）のみに依存する傾向があるが、これは酸素含有燃料においては誤解を招く可能性がある。なぜなら、理想的な $I_{sp}$ だけでは、全推進剤の体積、酸化剤の質量要求、および実用的な取り扱い上の負担の変化を考慮できていないからである。したがって、同一の理想的な仮定の下で燃料結合酸素の影響を評価し、密度インパルスや推進剤体積といったシステムレベルの指標を統合する、再現可能な初期段階のスクリーニング・フレームワークが必要とされている。

手法
本研究では、NASAの化学平衡計算コード（CEA）を用い、6種類の燃料（RP-1（参照用）、ジメチルエーテル（DME）、エタノール、メタノール、酢酸、ギ酸）について理論的な熱化学的スクリーニングを行う。解析は、実験的な検証、CFD、またはエンジン構成要素の設計を行わない理想的な条件下で行われる。

• シミュレーション・パラメータ： 計算は、LOX（90 K）と燃料（298 K）を用いたロケットモードで実施された。ベースライン条件として、燃焼室圧力（$P_c$）20 bar、ノズル膨張比（$A_e/A_t$）40を用いた。
• 感度解析： O/F比（0.5 ～ 8.0）、燃焼室圧力（10 ～ 60 bar）、およびノズル膨張比（10 ～ 120）のスイープを実施した。平衡流モデルと凍結流（frozen-flow）化学モデルの両方を比較した。
• スクリーニング指標： 単純な $I_{sp}$ を超えるため、著者らは以下のスカラー指標を算出した：
  • 性能保持指数（PRI）： RP-1に対する各燃料の最高 $I_{sp}$ の比。
  • 熱的厳酷度指数（TSI）： RP-1に対する燃焼室温度の比較。
  • 酸素化ペナルティ因子（OPF）： 燃料結合酸素単位あたりの性能ペナルティ。
  • 密度インパルス（$I_\rho$）： 燃料密度 $\times$ $I_{sp}$ として算出。
  • 全推進剤体積： 標準的な液体密度に基づき、1 kg の燃料とその必要とされるLOXの合計体積を推定する簡略化された指標。

主要な結果
ベースライン条件（$P_c$ = 20 bar, $A_e/A_t$ = 40）において、燃料は理想的な等価排気速度によって以下のようにランク付けされた：

1. RP-1: 3297.4 m/s (336.2 s)。最も高性能な参照燃料。
2. ジメチルエーテル (DME): 3290.5 m/s (335.5 s)。RP-1の理想的な性能の99.8%を保持。
3. エタノール: 3234.3 m/s (329.8 s)。RP-1の理想的な性能の98.1%を保持。
4. メタノール: 3158.6 m/s (322.1 s)。RP-1の理想的な性能の95.8%を保持。
5. 酢酸: 2851.4 m/s (290.8 s)。86.5%を保持。
6. ギ酸: 2329.4 m/s (237.5 s)。70.6%を保持。

感度およびシステムレベルの知見：

• 圧力と膨張： 燃焼室圧力を高めること（10–60 bar）による $I_{sp}$ の向上はわずか（約0.6–1.5%）であり、燃料の順位を変えることはない。ノズル膨張比を大きくすること（10–120）はすべての燃料に対して大きな利得をもたらすが、過剰な燃料結合酸素に伴う性能ペナルティを解消するには至らない。
• 化学： 平衡流は凍結流よりも高い性能を示す。RP-1とDMEは排気にかなりのCOを残留させるが、高度に酸素化された燃料（メタノール、酸類）は、より酸化された生成物（CO$_2$, H$_2$O）へとシフトし、ギ酸の場合は残留O$_2$が生じる。
• 密度と体積： DMEは理想的な性能においてRP-1に匹敵するが、その低い液体密度（668 kg/m³ vs. 810 kg/m³）により、RP-1に対する正規化密度インパルスは0.823に低下する。対照的に、酢酸およびギ酸は高密度であり、全推進剤体積を低減させるが、その深刻な性能ペナルティと腐食性は、この利点を打ち消すものである。
• 実用性： エタノールは、性能保持率（98.1%）の高さと、DMEの揮発性やメタノールの毒性に比べた場合の取り扱い特性の管理のしやすさとのバランスにおいて、最も実用的な中程度のペナルティを持つ候補として浮上した。

意義および主張
著者らは、本研究が新しい推進剤の発見を主張するものでも、実験的な検証や完全なエンジンレベルの最適化を提供するものでもないことを明示している。むしろ、その意義は透明かつ再現可能な初期段階のスクリーニング・フレームワークを提供することにある。

本研究は、理想的な性能のみでは燃料選定には不十分であることを示している。包括的な評価には、以下の事項を同時に考慮しなければならない：

1. 燃料結合酸素の割合と、それが熱化学的限界に及ぼす影響。
2. 酸化剤の必要量および全推進剤の体積。
3. 密度インパルスおよび貯蔵状態。
4. 定性的な取り扱い制約（毒性、腐食性、揮発性）。

結論として、DMEは熱化学的には極めて優れているものの、その運用上の課題から、本研究の燃料セットの中ではエタノールよりも魅力が低い。エタノールは、性能保持と実用的な取り扱いの間で最良の妥協点を提供している。高度に酸素化された有機酸は、燃料結合酸素の限界を示す有用な境界事例として機能するが、提示された仮定の下では、主要な高性能ロケット燃料としては不適当であると判断された。