ラプター (ロケットエンジン)

概要

ラプターはスペースX社によって開発中の液化メタンを燃料とするロケットエンジンである。高性能の多段式打上げ機スターシップ／スーパー・ヘビーのエンジンとして開発されている。
これまでのファルコン9が使用するマーリンがRP-1ケロシンと液体酸素 (LOX) を使用するのに対して、開発中のこのエンジンは燃料として液化メタン、酸化剤としてLOXを使用する。
ラプターエンジンは現用のファルコン9の2段目エンジンであるマーリン1Dバキュームの6倍以上の推力を出す予定である。
広義のラプターのコンセプトは「高度に再利用可能なメタン二段燃焼サイクルエンジンで火星探査や火星の植民のための次世代のスペースXの打上げ機の動力を担う」ものとされる。

初期の構想

ラプターはスペースX社のマックス・ボゾフによって2009年にAIAA商業乗員/貨物シンポジウムで初めて議論された。2011年4月の時点でスペースXは少人数のスタッフでラプター上段エンジンの作業を進めており、この時点では燃料もメタンではなく液体水素 (LH₂) と液体酸素 (LOX) を使用する予定で、優先度も低かった。2012年3月、ラプター上段エンジンの開発が進行中であるとの報道がされたが詳細は公表されなかった。
2012年10月、スペースX社は公式に「マーリンで使用中のRP-1燃料を使用しないマーリン1シリーズのエンジンの数倍の強力なエンジン」というロケットエンジンの概念の作業を公表したが使用する燃料の仕様は不明だった。今後「1年から3年」で詳細が固まる意向でこれらの大型のエンジンを複数使用するNASAのスペース・ローンチ・システムに匹敵する低軌道に150から200トン (150,000から200,000kg) を投入する特筆すべき打ち上げ能力を持つ次世代のスペースX社のロケットに搭載予定であるとされた。

メタンエンジンの発表と開発

2012年11月にCEOのイーロン・マスクはスペースX社の推進部門がメタン燃料ロケットエンジンを開発するという新たな方針を発表した。
彼はエンジンの概念の識別名称がラプターであることとともに、エンジンはメタン燃料の設計になる見通しであり、メタンはスペースX社の火星植民化計画の燃料として選ばれる予定であると述べた。
2009年にスペースX社によって公表された当時、ラプターは上段エンジン専用の概念であり、2012年の時点でも同様であったしかし、2014年初頭、スペースX社はラプターは新型の2段目同様に大型の直径10mのマーズ・コロニアル・トランスポーターにも使用される見込みであると言及し、それぞれのブースターコアはファルコン9のブースターコアが9基のマーリン 1Dエンジンを備えるのに似たような9基のラプターエンジンを備えるとされた。。
スペースX社が二段燃焼サイクルのメタンエンジンを検討中だったという兆しは、2011年5月にスペースX社がアメリカ空軍に対してケロシン燃料が主流の空軍の再利用型高推力メインエンジンソリューションと競合する選択肢としてメタンエンジンに関心があるかを尋ねた時にまで遡る。
2012年11月に公表された情報によると、スペースX社はラプターをシリーズ化する意向であるとされる。スペースX社はこのことを2013年10月に認めている。
しかしながら、スペースX社のCOOであるグウィン・ショットウエルは2014年3月、新エンジンの開発計画はフルサイズのラプターエンジンのみで、小型のメタンエンジンは予定していないと延べた。
2013年、10月、スペースX社はメタン燃料のラプターエンジンの試験をミシシッピ州ハンコック・カントリーのステニス宇宙センターで実施し、既存の試験設備に液化メタンエンジンの試験を支援するための設備を追加する予定であると発表した。
2014年4月、スペースX社はステニス宇宙センターの試験設備についてラプターの試験に必要な改修作業が完了し、2014年5月末から試験を開始する予定であると発表した。
2013年10月にスペースX社はラプターエンジンの設計推力が2,940 kN (661,000 lbf) になると初めて公表したが、2014年初頭にはラプターエンジンはさらに高推力となると発表した。
2014年2月、スペースX社のロケットエンジン開発の最高責任者であるトム・ミュラーは設計中のラプターは9基のエンジンで100トン以上の貨物を火星に送る予定で、ロケットはこれまで公表されていたよりも強力で推力は4,400 kN (1,000,000 lbf) 以上となる見通しを示した。
2014年6月に、ミュラーが述べたエンジンの目標性能は海面高度で推力6,900 kN（705トン）、真空中では8,200 kN（840トン）で比推力380秒とされる。初期の設計では真空中での比推力はわずか363秒と推定されていた。
2015年1月、イーロン・マスクは現在の推力の目標値を以前の発言より大幅に低いおよそ2,300 kN（230トン）であるとした。これは9基のエンジンには彼が"多くのエンジンがあること"に起因すると言及したように多くの問題がある事によるものである。

試験から初飛行へ

2016年9月には、ラプターの初の燃焼試験が実施された。試験はテキサス州マクレガーに建設した同社の試験施設で行われ、燃焼時間382秒、推力3 MN、燃焼室圧300気圧を達成した。 また、同月にはラプターを使用するロケットとして、ラプターを下段に42基、上段に9基も使用するインタープラネタリー・トランスポート・システム (ITS) の構想も発表された。ただし、ITSは翌年に発展型のBFR（後のスターシップ）に更新され、ラプターの数も下段に31基、上段に7基に変更されている。

設計

設計の初期段階では推進剤として液体水素と液体酸素を使用する予定だった。しかし、スペースXは液化メタンと液体酸素を推進剤として使用する方針に転換した。スペースXの現在の主エンジン（マーリンとケストレル）ではケロシンの一種であるRP-1と液体酸素を推進剤として使用する。スペースXのエンジン開発担当の副社長のTom Muellerは2014年2月19日にラプターエンジンは推力4.500 kNに設計される事を発表した。 現在のマーリン1Dは推力689kNである。比推力は海面高度で321秒で、真空中では363秒である。

エンジン試験

ラプターメタンエンジンの構成要素の初期の試験はミシシッピ州ハンコックのジョン・C・ステニス宇宙センターでスペースＸ社によって既存の試験設備に液体メタンエンジンの試験を支援する為の装置を追加して実施された。 
ステニスでの初期の試験はステニスのE-2試験施設は推力440 kN (100,000 lbf) までしか対応できないので実物大のラプターの試験には不十分なのでラプターエンジンの構成要素の試験に限定された。
2013年10月のラプターエンジンの開発で真空中での推力が2,940 kN (661,000 lbf) 以上に設計された事に関連してステニスの試験実施が協議された。 高推力、仕様は同社によって2014年2月に協議されたが、初期の開発エンジンで高推力に到達できるかは不明であった。
2014年8月、スペースXはステニスで初期の構成要素である高容量ガス噴射装置の試験を実施した。
スペースX社によって改良されたステニスの試験設備は今後はスペースXへの貸借完了後、他社も利用できる予定である。
スペースXはより大推力の実機大のラプターエンジンを扱うために新しいエンジン試験設備の建設または既存の施設の改修が必要だと見られる。 ステニス宇宙センターのB-2試験設備は既にNASAの推力 7,440 kNのSLSコア・ステージの試験の為に改修済みである。