ロケットの燃料は水素だけではない｜種類ごとの役割と選ばれる理由が見えてくる！

ロケットが宇宙へ飛び立つ映像を見ると、機体の下から大きな炎や白い煙が噴き出しているため、何を燃やしているのか気になる人は多いでしょう。

ロケットの燃料としてよく知られているのは水素ですが、すべてのロケットが水素で飛んでいるわけではなく、灯油に近いケロシン、メタン、合成ゴムや金属粉末を含む固体推進剤など、目的に応じてさまざまな物質が使われています。

さらに、宇宙空間には燃焼に必要な酸素がほとんど存在しないため、ロケットは燃料だけでは飛べず、燃料を燃やすための酸化剤も機体に搭載しなければなりません。

ここでは、ロケットの燃料は何なのかという疑問に先に答えたうえで、水素が選ばれる理由、液体酸素の役割、燃料ごとの長所と弱点、日本や海外のロケットで使われている組み合わせまで、初めて調べる人にもイメージしやすいように整理します。

ロケットの燃料は水素だけではない

ロケットに使われる代表的な燃料には、液体水素、ロケット用ケロシン、液体メタン、固体推進剤などがあり、水素は数ある選択肢の一つです。

どの燃料が最も優れているかは一律に決められず、必要な推力、到達させたい軌道、機体の大きさ、製造費、保管性、再使用の有無といった条件によって適した組み合わせが変わります。

ロケットの種類を理解するときは、燃える側だけを見るのではなく、酸化剤を含めた推進剤全体と、どの段で使用されるのかを確認することが重要です。

燃料と推進剤の違い

ロケットについて調べるときに最初に押さえておきたいのは、一般に燃料と呼ばれているものと、技術的な意味での推進剤は同じではないという点です。

燃料は水素やケロシンのように酸化されてエネルギーを放出する物質を指し、酸化剤は液体酸素など、燃料を燃焼させるために必要な成分を供給する物質を指します。

推進剤という言葉は、燃料と酸化剤を合わせたものを意味する場合が多く、ロケットには両方を別々のタンクに積む方式と、あらかじめ混ぜて固めておく方式があります。

航空機のジェットエンジンは周囲の空気から酸素を取り込めますが、ロケットは大気圏外でも作動する必要があるため、酸化剤まで自分で運ばなければなりません。

日常会話では推進剤全体をまとめてロケット燃料と呼んでも意味は通じますが、仕組みを正確に理解するには燃料と酸化剤を分けて考えると混乱しにくくなります。

液体水素

液体水素は、ロケットの燃料として高い性能を得やすい物質であり、日本のH3ロケットやNASAの大型ロケットなどで液体酸素と組み合わせて使われています。

水素は分子が非常に軽いため、燃焼後に高速のガスを噴射しやすく、同じ推進剤重量から効率よく速度を得る指標である比推力を高くしやすいことが大きな利点です。

特に、重力や空気抵抗の影響が小さくなった上空で長時間噴射する上段エンジンでは、推進効率の高さが搭載できる衛星の重量や到達可能な軌道に大きく影響します。

一方、水素を液体の状態に保つには約マイナス253度という極低温が必要であり、断熱された大きなタンク、配管、バルブ、ターボポンプなどを精密に設計しなければなりません。

水素は体積当たりの密度が低く、同じ重量を積むためのタンクが大きくなりやすいため、高性能であっても機体全体を小型化しやすい燃料とは限らない点に注意が必要です。

ロケット用ケロシン

ロケット用ケロシンは灯油に近い炭化水素系の燃料で、代表的な規格としてRP-1があり、液体酸素と組み合わせて多くの大型ロケットに利用されてきました。

液体水素よりも密度が高いため、比較的小さなタンクに多くの燃料を積みやすく、地上付近で大きな推力を必要とする第1段エンジンと相性が良いことが特徴です。

常温に近い環境で扱えるケロシンは、液体水素ほど厳しい極低温管理を必要とせず、貯蔵設備や機体構造をまとめやすいという運用上の利点もあります。

SpaceXのFalcon 9は、第1段と第2段のMerlinエンジンでRP-1と液体酸素を使用しており、同社のFalcon 9公式情報でも推進剤の組み合わせが示されています。

弱点は、水素より比推力が低くなりやすいことや、燃焼条件によってすすが発生し、再使用エンジンでは内部の点検や清掃が必要になる可能性があることです。

液体メタン

液体メタンは、液体酸素と組み合わせる次世代のロケット燃料として注目されており、水素の高性能とケロシンの扱いやすさの中間に位置するような特徴を持っています。

ケロシンよりも炭素の割合が少ないため、燃焼時のすすを抑えやすく、同じエンジンを繰り返し使う再使用型ロケットでは整備負担を軽減できる可能性があります。

液体水素より密度が高いのでタンクを小さくしやすい一方、液体として積むには約マイナス162度まで冷却する必要があり、通常の石油系燃料より設備は複雑になります。

メタンには、将来の月面基地や火星探査で現地資源から製造できる可能性が議論されている点もあり、地球から帰還用燃料をすべて運ぶ負担を減らす構想と結び付けられています。

• ケロシンよりすすを抑えやすい
• 液体水素よりタンクを小さくしやすい
• 再使用エンジンと相性が良い
• 極低温での保管設備が必要になる
• 現地資源利用への応用が期待される

欧州宇宙機関が開発を進めるPrometheusも液体酸素とメタンを使用する設計であり、メタンは単なる実験材料ではなく、将来の輸送システムを支える有力候補になっています。

固体推進剤

固体ロケットでは、燃える成分と酸化剤を合成ゴムなどの結合材と一緒に混ぜ、機体内部に固めた固体推進剤を燃焼させます。

代表的な構成では、酸化剤として過塩素酸アンモニウム、燃料成分としてアルミニウム粉末、燃料と結合材を兼ねる物質として合成ゴムが使われます。

燃料と酸化剤をポンプで送り込む複雑な仕組みが不要で、構造を比較的単純にできるため、短時間に大きな推力を発生させる補助ブースターや小型ロケットに適しています。

長期間保管しやすく、発射準備を簡略化しやすいことも利点ですが、いったん点火すると液体ロケットのように燃料供給を止めて簡単に停止することはできません。

JAXAのロケット燃料に関する公式情報でも、液体ロケットでは燃料と酸化剤を別々に積み、固体ロケットでは両者を混ぜ合わせて固めるという基本的な違いが紹介されています。

自己着火性推進剤

二つの液体が接触しただけで自然に燃焼を始める組み合わせは自己着火性推進剤と呼ばれ、英語の表現からハイパーゴリック推進剤と呼ばれることもあります。

代表例にはヒドラジン系燃料と四酸化二窒素系の酸化剤があり、複雑な点火装置を使わずに確実に着火しやすく、何度も短時間噴射する姿勢制御や軌道変更で利用されてきました。

常温付近で長期間保存できる組み合わせが多いため、打ち上げ後に数か月から数年にわたって運用される人工衛星や宇宙船では都合の良い推進剤です。

一方で、ヒドラジンや四酸化二窒素などには強い毒性や腐食性があり、地上作業では防護服、専用設備、厳格な漏えい対策が必要になります。

確実に作動することが重要な宇宙機では現在も有用ですが、安全性や環境負荷を改善するため、毒性を抑えた新しい一液式推進剤や電気推進への置き換えも進められています。

ハイブリッド方式

ハイブリッドロケットは、固体の燃料と液体または気体の酸化剤を組み合わせる方式であり、固体ロケットと液体ロケットの特徴を併せ持っています。

燃料として樹脂や合成ゴムなどを固めて搭載し、別タンクから亜酸化窒素や液体酸素などの酸化剤を燃焼室へ送り込む構成が代表的です。

燃料と酸化剤が最初から混ざっていないため、一般的な固体推進剤より偶発的な燃焼が起きにくく、酸化剤の流量を調整すれば推力を変えたり燃焼を止めたりできる可能性があります。

ただし、固体燃料の表面が燃える速度を均一に保つことが難しく、大型化したときに十分な燃焼効率や安定した推力を得るには高度な設計が必要です。

安全性や構造の簡素化を生かせる小型打ち上げ機、観測ロケット、有人機の補助推進などで研究されていますが、あらゆる用途で液体ロケットを置き換える方式ではありません。

目的に合う燃料

ロケット燃料を選ぶときは、燃料単体の性能だけでなく、酸化剤、エンジン、タンク、配管、地上設備を含めたシステム全体で判断します。

打ち上げ直後は重い機体を持ち上げる大きな推力が必要になるため、密度が高いケロシンや強力な固体ブースターが選ばれやすく、上空では効率に優れる水素が有利になる場合があります。

再使用を重視する機体ではエンジン内部を汚しにくいメタンが候補になり、長期保存が必要な宇宙機では極低温燃料より常温貯蔵可能な推進剤が扱いやすくなります。

• 第1段では推力と燃料密度を重視する
• 上段では比推力と再着火性能を重視する
• 再使用機では整備性を重視する
• 探査機では長期保存性を重視する
• 有人機では安全性と信頼性を重視する

同じロケットの中でも第1段、上段、補助ブースター、姿勢制御装置で異なる推進剤を使うことがあり、機体全体を一種類の燃料だけで説明しようとすると実際の構成を見誤ります。

液体水素がロケットで使われる理由

液体水素が大型ロケットで採用される最大の理由は、重量に対して高い推進効率を得やすく、衛星や宇宙船をより高い速度まで加速しやすいことです。

しかし、高性能という一面だけで採用できるものではなく、低密度、極低温、漏れやすさといった扱いにくさを克服する技術がそろって初めて実用的な燃料になります。

水素がすべてのロケットに使われない理由を理解するには、比推力、体積、保管温度、地上運用という複数の条件を同時に見る必要があります。

高い比推力

液体水素と液体酸素の組み合わせは、実用的な化学ロケットの中で高い比推力を得やすく、限られた推進剤重量から大きな速度変化を引き出せます。

比推力は燃費に近い指標として説明されることがありますが、自動車の燃費とは単位も考え方も異なり、一定量の推進剤からどれだけ長く推力を生み出せるかを示します。

燃焼後のガスが軽く、高温でノズルから高速噴射されるほど効率を高めやすいため、分子量の小さい水を主成分とする水素燃焼ガスは有利です。

特に地球周回軌道からさらに月や惑星へ向かう段階では、わずかな効率差が搭載可能な貨物重量に影響するため、水素エンジンの性能が大きな価値を持ちます。

低密度と極低温

液体水素の大きな弱点は密度の低さであり、同じ重量のケロシンを積む場合と比べて、はるかに大きな容積のタンクが必要になります。

タンクが大きくなると外板、断熱材、配管などの面積も増え、空気抵抗や構造重量にも影響するため、燃料そのものが軽いという長所だけで機体全体が軽くなるとは限りません。

• 約マイナス253度で液体になる
• 断熱しても少しずつ蒸発する
• 小さな隙間から漏れやすい
• 配管やエンジンの事前冷却が必要になる
• 地上設備の運用が複雑になる

打ち上げ前にはタンクや配管を十分に冷却し、液体水素が急激に沸騰しない状態を整える必要があるため、発射時刻が遅れると燃料の補充や再調整が必要になることもあります。

水素を採用するロケットでは、推進効率によって得られる利益が、タンクの大型化や運用の複雑化による不利を上回るかどうかが重要な判断基準になります。

排気と環境負荷

水素と酸素が理想的に燃焼した場合の主な生成物は水であり、ケロシンのように燃料中の炭素から二酸化炭素やすすが発生することはありません。

この特徴から水素ロケットは環境に優しいと表現されることがありますが、打ち上げによる影響を排気成分だけで評価するのは適切ではありません。

水素を製造するために化石燃料を使えば製造段階で二酸化炭素が発生し、液化、輸送、極低温保管にも多くのエネルギーが必要になります。

高温の排気が大気中の成分と反応する可能性、上空へ放出された水蒸気の影響、固体ブースターを併用する場合の排出物なども含め、ロケット全体で評価しなければなりません。

水素燃料は燃焼時に炭素を直接排出しない点では明確な利点がありますが、製造方法や電力源まで含めなければ、打ち上げ全体の環境負荷が小さいとは断定できません。

水素ロケットが飛ぶ仕組み

水素ロケットは、燃料である液体水素と酸化剤である液体酸素を別々のタンクに入れ、エンジン内部の燃焼室へ送って反応させます。

燃焼で発生した高温高圧のガスをノズルから後方へ高速で噴射すると、その反作用によってロケットは前方へ加速します。

炎が空気を押して飛ぶのではなく、機体がガスに運動量を与えて後方へ放出することで推力を得るため、空気のない宇宙空間でもエンジンを作動させられます。

燃焼から推力まで

液体水素と液体酸素はタンクから配管を通り、ターボポンプなどによって高い圧力まで加圧されたうえで燃焼室へ送り込まれます。

燃焼室では両者が細かく噴霧されて混ざり、点火によって非常に高温の燃焼ガスが発生し、その圧力がエンジンのノズル方向へ流れます。

先細りになった部分から末広がりになるノズルを通過する過程で、ガスが持つ熱と圧力のエネルギーが高速の流れへ変換されます。

推力の大きさは燃料を燃やした量だけで決まるのではなく、燃焼圧力、ノズル形状、混合比、噴射速度、外部の気圧などによっても変わります。

タンクとポンプ

液体水素エンジンでは燃焼そのものだけでなく、極低温の推進剤を安定して燃焼室へ供給するタンク、配管、バルブ、ポンプの設計が性能と信頼性を左右します。

水素は体積が大きいため燃料タンクも大型になりやすく、打ち上げ時の振動や加速度に耐えながら、できるだけ軽く作る技術が必要です。

• 断熱された液体水素タンク
• 液体酸素を保持する酸化剤タンク
• 流量を調整するバルブ
• 推進剤を加圧するターボポンプ
• 混合を担う噴射器
• ガスを加速させるノズル

ターボポンプは大量の液体を短時間に高圧で送り込む装置であり、非常に低温の液体と高温の燃焼ガスが近接する過酷な環境で高速回転しなければなりません。

水素ロケットの開発が難しいのは燃料を燃やす方法が分からないからではなく、極端な温度差や圧力を制御しながら、すべての装置を軽量かつ確実に作動させる必要があるためです。

水ができる理由

水素と酸素の反応を単純化すると、水素分子と酸素分子が反応して水分子が生まれ、その過程で大きな熱エネルギーが放出されます。

燃焼室内の温度は非常に高いため、生成された水は地上で見る液体の水ではなく、高温の水蒸気を中心とする燃焼ガスとして存在します。

この高温ガスがノズルで膨張して高速噴射されることにより推力が生まれ、排気が外気と混ざって冷えると、水滴や氷の粒ができて白く見える場合があります。

発射台の周囲に広がる巨大な白い雲は、エンジン排気だけでなく、設備を熱や音響から守るために大量に散水された水や、極低温推進剤によって冷やされた空気中の水分も含みます。

映像に映る白煙をすべて水素の燃焼で生まれた水だと考えるのではなく、燃焼排気、冷却水、水蒸気、凝結した空気中の水分が混ざったものとして見るのが正確です。

実際のロケットに使われる燃料

実用ロケットでは、一種類の推進剤だけに統一するより、それぞれの段階に適した燃料やブースターを組み合わせる設計が多く採用されています。

日本のH3は液体水素を中心に使用し、Falcon 9はケロシンを使用するなど、同じ人工衛星打ち上げ用ロケットでも設計思想は大きく異なります。

燃料の違いを見るときは、どのロケットが新しいかだけで優劣を決めず、目的、機体規模、再使用方法、既存設備との互換性まで考えることが大切です。

H3とSLS

日本のH3ロケットは、第1段のLE-9エンジンと第2段のLE-5B-3エンジンで液体水素と液体酸素を使用する大型液体ロケットです。

打ち上げる衛星の重量や目標軌道に応じて固体ロケットブースターを装着する構成も用意されており、水素エンジンの効率と固体推進剤の大きな推力を組み合わせています。

JAXAのH3ロケット公式情報では、主エンジンのLE-9、上段エンジンのLE-5B-3、固体ロケットブースターのSRB-3など、機体を構成する主要要素が紹介されています。

NASAのSLSもコアステージのRS-25エンジンで液体水素と液体酸素を使い、発射時には二本の大型固体ロケットブースターから追加の推力を得る構成です。

Falcon 9

Falcon 9は、ロケット用ケロシンであるRP-1と液体酸素を使用するMerlinエンジンを搭載し、第1段を着陸させて再使用する運用で知られています。

ケロシンは液体水素より密度が高いため、第1段のタンクを比較的コンパクトにまとめやすく、九基のエンジンから発射時に必要な大きな推力を得る構成と相性が良い燃料です。

• 燃料はロケット用ケロシンのRP-1
• 酸化剤は液体酸素
• 第1段に九基のMerlinエンジン
• 第1段の着陸と再使用に対応
• 第2段も同系統の推進剤を使用

ケロシンは水素より比推力で不利になりやすいものの、高密度、取り扱いやすさ、既に蓄積された運用経験といった利点があり、打ち上げ回数を増やすシステムにも採用できます。

Falcon 9の再使用実績はメタンだけが再使用ロケットに適しているわけではないことを示しており、燃料の性質だけでなくエンジン設計や点検方法も運用効率を左右します。

メタン燃料の広がり

液体メタンまたは液化天然ガス系の燃料を使うロケットエンジンは、再使用性と製造費を重視する新しい打ち上げシステムで採用が広がっています。

Blue OriginのNew Glenn第1段に搭載されるBE-4は、液体酸素と液化天然ガスを使うエンジンであり、同系統のBE-4は別の大型ロケットにも利用されています。

欧州で開発されているPrometheusエンジンも液体酸素とメタンを使い、低コスト化や再使用への対応を目標に掲げているため、メタンは複数地域で開発される主要候補です。

ただし、メタンを使えば自動的に低価格や完全再使用が実現するわけではなく、エンジン寿命、耐熱構造、帰還方式、点検時間、射場設備などを一体で整える必要があります。

将来は水素、ケロシン、メタンのいずれか一つへ統一されるというより、上段では水素、第1段ではメタンやケロシン、補助推進では固体推進剤というように用途別の使い分けが続く可能性が高いでしょう。

ロケット燃料は役割から見ると理解しやすい

ロケットの燃料は水素だけではなく、液体水素、ケロシン、メタン、固体推進剤、長期保存可能な自己着火性推進剤など、多くの種類があります。

水素は液体酸素と組み合わせることで高い比推力を得やすく、上段や深宇宙へ向かうロケットに適していますが、約マイナス253度での保管、大型タンク、漏えい対策などが必要になる扱いの難しい燃料です。

ケロシンは高密度で大きな推力を出す第1段に向き、メタンはすすの少なさや再使用時の整備性が期待され、固体推進剤は構造の単純さと短時間で得られる大推力に強みがあります。

ロケットが空気のない宇宙でも飛べるのは、燃料だけでなく液体酸素などの酸化剤も搭載し、燃焼で生じた高温ガスを後方へ高速噴射しているためです。

水素を使っているかどうかだけで性能を判断するのではなく、どの段で何を運ぶロケットなのか、推力、効率、体積、保管性、費用、再使用性のうち何を重視しているのかを見ると、燃料が選ばれた理由を正しく理解できます。