ジェフ・ベゾスがブルーオリジンのBE-4ロケットエンジンのアップデートにおけるベアリングについて深く掘り下げる
アラン・ボイル著
ボールベアリングと静圧ベアリングの違いは何でしょうか？Amazonの億万長者ジェフ・ベゾス氏によるBlue OriginのBE-4ロケットエンジン開発に関する最新情報を読めば、その違いがもっとよく分かるはずです。
このエンジンは、ベゾス氏の宇宙ベンチャーが計画しているニュー・グレン・ロケットだけでなく、ユナイテッド・ローンチ・アライアンスの次世代バルカン・ロケットにも搭載できるようテスト中だ。
BE-4は、液体酸素と液化天然ガスを燃料として、55万ポンド（約23万キログラム）の推力を発揮するように設計されています。ベゾス氏によると、7基のロケットを同時に噴射すれば、この推力は月への旅の第一区間でペイロードを送り出すのに十分なはずです。
しかし、そのような性能は、特に従来のボールベアリングとローラーベアリングを使用している場合、大きな摩耗を伴う可能性があります。エンジンの再利用性を最大限に高めるため、ブルーオリジンのチームは異なるアプローチを採用しています。BE-4のスムーズな動作を維持するために、ベゾス氏によると、エンジンのターボポンプの心臓部であるタービンのベアリングとして、液体推進剤の薄い膜を使用する予定です。
https://www.youtube.com/watch?v=BTEhohh6eYk
再利用性はBE-4の重要なセールスポイントであり、ULAはブルーオリジンが今後数週間にわたって本格的なテストを行う間、エンジンの性能を注意深く監視する予定だ。
BE-4が失敗に終わった場合、ULAはプランBに頼らざるを得なくなる可能性があり、ブルーオリジンのニューグレン衛星打ち上げ事業計画は大きな打撃を受けるだろう。しかし、すべてがうまくいけば、ベゾス氏の宇宙企業にとって大きな後押しとなるだろう。同社はまた、より小型の水素燃料BE-3エンジンを搭載した弾道宇宙船の開発にも取り組んでいる。
以下はベゾス氏からの本日の電子メール更新の全文です。
BE-4ターボポンプは冷蔵庫よりも小さいですが、毎分約19,000回転で稼働するタービンから7万馬力の出力を生み出し、極低温推進剤を1平方インチあたり5,000ポンド弱の圧力まで送り出します。回転するタービンとポンプ内のインペラによって発生する力に対応するため、これまでの量産ロケットターボポンプでは、従来のボールベアリングとローラーベアリングが使用されていました。BE-4では、これとは異なる静圧ベアリングを採用しています。
静圧軸受は、高圧源から供給される流体膜を利用してシャフトを支え、起動時と停止時を除き、静的構造物に接触することなく浮上させます。BE-4主ターボポンプは、ラジアル支持に静圧ジャーナル軸受、軸方向推力伝達に静圧アキシャル軸受を使用しています。このシステムはブートストラップ方式です。軸受用の高圧流体膜は、ポンプ吐出流から供給される推進剤（液化天然ガスと液体酸素）自体によって供給されます。
このアプローチでは、材料選定が重要な考慮事項となります。流体膜が完全に形成される前の始動過渡時、および流体膜が消失する停止過渡時に、軸受表面間で物理的な接触が発生するためです。ラボ規模の試験と実際のポンプハードウェアを使用したフルスケールの軸受リグ試験により、100回を超える試験で20を超える材料の組み合わせを評価し、ベースラインとなる材料とコーティングを選定しました。
広範囲にわたるローターダイナミクスおよび数値流体力学解析により、この設計の実現可能性が示され、最近のパワーパック試験では、このアプローチが起動時および停止時の過渡状態、つまり最も重要な段階において機能することが確認されました。下のシャフト軌道図は、典型的な起動過渡状態においてターボポンプがスムーズに離陸し、中心に位置し、推進剤の膜上をスムーズに移動していることを示しています。
なぜ従来のベアリングではなく、これほど手間をかけるのでしょうか？それはエンジンの寿命です。私たちは再利用性に徹底的に注力しており、適切に設計された静圧軸受は、改修なしでエンジンの寿命を延ばす可能性を秘めています。これは、私たちがこれまでに下してきた多くのエンジニアリング上の決定の一つであり、原理的な再利用性だけでなく、実用的かつ運用可能な再利用性にもつながると期待しています。もし「再利用性」を実現するために、飛行間の大規模な改修、検査、再検証が必要であれば、何百万人もの人々が宇宙で生活し、働くという私たちのビジョンを実現するために必要な、打ち上げコストの大幅な削減には到底つながりません。
「今後数週間でテストが進みますので、最新情報をお知らせします。」
「グラダティム・フェロシター！」
ベゾス氏の最新情報を電子メールで受け取るには、Blue Origin の Web サイトに登録してください。
