ロケットエンジンのしくみ

人類がこれまでに行った中で最も驚くべき努力の1つは、宇宙の探査です。驚きの大部分は複雑さです。解決すべき問題や克服すべき障害が非常に多いため、宇宙探査は複雑です。あなたは次のようなものを持っています：

しかし、すべての最大の問題は、単に宇宙船を地面から離すのに十分なエネルギーを利用することです。そこでロケットエンジンが登場します。

ロケット画像ギャラリー

ロケットエンジンは非常にシンプルなので、独自のモデルロケットを非常に安価に作成して飛行できます（詳細については、記事の最後のページにあるリンクを参照してください）。一方、ロケットエンジン（およびその燃料システム）は非常に複雑であるため、実際に人を軌道に乗せたのは3か国だけです。この記事では、ロケットエンジンを見て、それらがどのように機能するかを理解し、それらを取り巻く複雑さのいくつかを理解します。

ほとんどの人がモーターやエンジンについて考えるとき、彼らは回転について考えます。たとえば、自動車のレシプロガソリンエンジンは、車輪を駆動するための回転エネルギーを生成します。電動モータは、ファンを駆動するか、ディスクを回転するための回転エネルギーを生成します。蒸気機関は蒸気タービンと最もあると、同じことを行うために使用されるガスタービン。

ロケットエンジンは根本的に異なります。ロケットエンジンはリアクションエンジンです。ロケットエンジンを駆動する基本原理は、「すべての行動に対して等しく反対の反応がある」という有名なニュートン原理です。ロケットエンジンは一方向に質量を投げ、その結果、他の方向に発生する反応の恩恵を受けています。

「質量を投げて反応から利益を得る」というこの概念は、それが起こっているようには見えないため、最初は理解するのが難しい場合があります。ロケットエンジンは、「物を投げる」ことではなく、炎と騒音と圧力に関係しているようです。現実をよりよく理解するために、いくつかの例を見てみましょう。

次に、アクションとリアクションを説明する別のシナリオ、宇宙野球について見ていきます。

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ロケットエンジンの詳細

ターボチャンネルに注目してください。車、オートバイ、飛行機、その他すべてをモーターでプログラミングする場所です。

1. アクションとリアクション：宇宙野球のシナリオ
2. 推力
3. 固体燃料ロケット：燃料混合物
4. 固体燃料ロケット：チャネル構成
5. 液体推進剤ロケット
6. ロケットエンジンの未来

次の状況を想像してみてください。あなたは宇宙服を着ており、スペースシャトルの横の宇宙に浮かんでいます。あなたはたまたまあなたの手に野球を持っています。

野球を投げると、体はボールの反対方向に動くことで反応します。体が離れる速度を制御するのは、投げる野球の重さと加速度です。あなたがそれに適用すること。質量に加速度を掛けたものが力です（f = m * a）。あなたが野球に加えるどんな力もあなたの体に加えられる同じ反力によって等しくなります（m * a = m * a）。つまり、野球の重さが1ポンドで、体と宇宙服の重さが100ポンドだとします。あなたは毎秒32フィート（21mph）の速度で野球を捨てます。つまり、腕で1ポンドの野球を加速して、時速21マイルの速度を取得します。あなたの体は反応しますが、それは野球の100倍の重さです。したがって、野球の100分の1の速度、つまり毎秒0.32フィート（0.21 mph）で移動します。

野球からより多くの推力を生成したい場合は、質量を増やすか、加速度を増やすかの2つのオプションがあります。重い野球を投げたり、野球を次々に投げたり（質量を増やしたり）、野球を速く投げたり（加速度を上げたり）することができます。しかし、それがあなたにできることのすべてです。

ロケットエンジンは一般的に高圧ガスの形で質量を投げています。エンジンは、反対方向の反応を得るために、ガスの塊を一方向に放出します。質量は、ロケットエンジンが燃焼する燃料の重量に由来します。燃焼プロセスは燃料の質量を加速し、ロケットノズルから高速で出てきます。燃料が燃焼すると固体または液体から気体に変わるという事実は、その質量を変えません。1ポンドのロケット燃料を燃やすと、1ポンドの排気ガスが高温高速ガスの形でノズルから出てきます。形は変わりますが、質量は変わりません。燃焼プロセスは、質量を加速します。

次に推力についてもっと学びましょう。

ロケットエンジンの「強さ」は推力と呼ばれます。推力は、米国では「推力のポンド」で測定され、メートル法ではニュートンで測定されます（4.45ニュートンの推力は1ポンドの推力に相当します）。 1ポンドの推力は、1ポンドの物体を地球の重力に逆らって静止させるのに必要な推力の量です。したがって、地球上では、重力の加速度は毎秒32フィート（毎秒21マイル）です。あなたが野球のバッグを持って宇宙に浮かんでいたなら時速21マイルで毎秒1球を投げると、野球は1ポンドの推力に相当します。代わりに時速42マイルで野球を投げるとしたら、2ポンドの推力が発生します。それらを2,100mphで投げると（おそらく、ある種の野球銃からそれらを撃つことによって）、100ポンドの推力を生成します。

ロケットが抱える面白い問題の1つは、エンジンが投げたい物体が実際に何かの重さを量り、ロケットがその重さを持ち運ばなければならないことです。したがって、毎秒2,100 mphの速度で1つの野球を投げることによって、1時間に100ポンドの推力を生成するとします。つまり、3,600ポンドの野球（1時間に3,600秒あります）、または3,600ポンドの野球から始める必要があります。宇宙服の重さは100ポンドしかないので、「燃料」の重さがペイロード（あなた）の重さよりも小さいことがわかります。実際、燃料の重量はペイロードの36倍です。そして、それは非常に一般的です。だから今、小さな人を宇宙に連れて行くには巨大なロケットが必要です。たくさんの燃料を運ばなければなりません。

スペースシャトルで重量方程式を非常にはっきりと見ることができます。スペースシャトルの打ち上げを見たことがあれば、次の3つの部分があることをご存知でしょう。

オービターの重量は165,000ポンドです。外部燃料タンクの重量は78,100ポンド空です。 2つの固体ロケットブースターの重量はそれぞれ185,000ポンドです。しかし、それからあなたは燃料を積まなければなりません。各SRBは110万ポンドの燃料を保持します。外部燃料タンクは、143,000ガロンの液体酸素（1,359,000ポンド）と383,000ガロンの液体水素（226,000ポンド）を保持します。シャトル、外部燃料タンク、固体ロケットブースターケーシング、およびすべての燃料の車両全体の総重量は、打ち上げ時に440万ポンドです。軌道上で165,000ポンドを取得するための440万ポンドは、かなり大きな違いです。公平を期すために、オービターは65,000ポンドのペイロード（最大15 x 60フィートのサイズ）を運ぶこともできますが、それでも大きな違いがあります。燃料の重さはオービターの約20倍です[出典：スペースシャトルオペレーターズマニュアル]。

その燃料はすべて、おそらく6,000 mphの速度でスペースシャトルの後ろに投げ出されています（化学ロケットの一般的なロケットの排気速度は5,000〜10,000 mphの範囲です）。SRBは約2分間燃焼し、打ち上げ時にそれぞれ約330万ポンドの推力を生成します（燃焼全体で平均265万ポンド）。3つのメインエンジン（外部燃料タンクの燃料を使用）は約8分間燃焼し、燃焼中にそれぞれ375,000ポンドの推力を発生します。

次のセクションでは、固体燃料ロケットの特定の燃料混合物を見ていきます。

固体燃料ロケットエンジンは、人間が最初に作ったエンジンでした。それらは数百年前に中国で発明され、それ以来広く使用されてきました。国歌（1800年代初頭に書かれた）の「ロケットの赤いまぶしさ」についての行は、爆弾または焼夷弾を届けるために使用される小さな軍用固体燃料ロケットについて話している。ですから、ロケットがかなり長い間使用されていることがわかります。

単純な固体燃料ロケットの背後にある考え方は単純明快です。あなたがしたいのは、非常に速く燃えるが爆発しない何かを作ることです。ご存知かもしれませんが、火薬が爆発します。火薬は、75％の硝酸塩、15％の炭素、10％の硫黄で構成されています。ロケットエンジンでは、爆発は必要ありません。一定期間にわたってより均等に出力を放出する必要があります。したがって、混合物を72％の硝酸塩、24％の炭素、4％の硫黄に変更することができます。この場合、火薬の代わりに、単純なロケット燃料を入手します。この種の混合物は非常に急速に燃焼しますが、適切にロードされた場合は爆発しません。典型的な断面図は次のとおりです。

左側には、点火前のロケットが見えます。固形燃料は緑色で表示されます。それは円筒形で、真ん中にチューブがドリルダウンされています。燃料に火をつけると、チューブの壁に沿って燃えます。燃焼すると、すべての燃料が燃焼するまでケーシングに向かって外側に燃焼します。小型モデルのロケットエンジンや小さなボトルのロケットでは、火傷は1秒以内に続く可能性があります。100万ポンドを超える燃料を含むスペースシャトルSRBでは、燃焼は約2分間続きます。

シャトルの固体ロケットブースターのような高度な固体燃料ロケットについて読むとき、あなたはしばしば次のようなことを読みます：

この段落では、燃料混合物だけでなく、燃料の中心に開けられたチャネルの構成についても説明します。「11ポイントの星型のミシン目」は次のようになります。

アイデアは、チャネルの表面積を増やし、それによって燃焼面積を増やし、したがって推力を増やすことです。燃料が燃えると、形は円になります。SRBの場合、飛行中のエンジンの初期推力は高く、推力は低くなります。

固体燃料ロケットエンジンには、3つの重要な利点があります。

また、2つの欠点があります。

不利な点は、固体燃料ロケットが短寿命のタスク（ミサイルなど）やブースターシステムに役立つことを意味します。エンジンを制御できるようにする必要がある場合は、液体推進剤システムを使用する必要があります。次に、それらと他の可能性について学びます。

1926年、ロバート・ゴダードは最初の液体推進剤ロケットエンジンをテストしました。彼のエンジンはガソリンと液体酸素を使用していました。彼はまた、ポンプ機構、冷却戦略、操舵装置など、ロケットエンジンの設計における多くの基本的な問題に取り組み、解決しました。これらの問題が、液体推進剤ロケットを非常に複雑にしている原因です。

基本的な考え方は単純です。ほとんどの液体推進剤ロケットエンジンでは、燃料と酸化剤（ガソリンや液体酸素など）が燃焼室に送り込まれます。そこでそれらは燃焼して、高温ガスの高圧および高速の流れを作り出します。これらのガスは、さらに加速するノズルを通って流れ（通常、5,000〜10,000 mphの出口速度）、エンジンから排出されます。次の非常に簡略化された図は、基本的なコンポーネントを示しています。

この図は、一般的なエンジンの実際の複雑さを示していません（実際のエンジンの優れた画像と説明については、ページの下部にあるリンクの一部を参照してください）。たとえば、燃料または酸化剤のいずれかが液体水素または液体酸素のような冷たい液化ガスであるのは正常です。液体推進剤ロケットエンジンの大きな問題の1つは、燃焼室とノズルの冷却です。そのため、極低温の液体は、最初に過熱された部品の周りを循環して冷却されます。燃焼燃料が燃焼室内で生成する圧力に打ち勝つために、ポンプは非常に高い圧力を生成する必要があります。スペースシャトルのメインエンジンは、実際には2つのポンプステージを使用し、燃料を燃焼させて2番目のステージのポンプを駆動します。このポンピングと冷却のすべてにより、典型的な液体推進剤エンジンは、他の何よりも配管プロジェクトが荒廃したように見えます-上のエンジンを見てください私が何を意味するかを見るためにこのページ。

あらゆる種類の燃料の組み合わせが液体推進剤ロケットエンジンで使用されます。例えば：

私たちは、燃料を燃焼させて推力を発生させる化学ロケットエンジンを目にすることに慣れています。ただし、推力を生成する方法は他にもたくさんあります。質量を投げるどんなシステムでもかまいません。野球を非常に高速に加速する方法を見つけられれば、実行可能なロケットエンジンができあがります。このようなアプローチの唯一の問題は、宇宙を流れる野球の「排気」（当時の高速野球）でした。この小さな問題により、ロケットエンジンの設計者は排気ガスにガスを好むようになります。

多くのロケットエンジンは非常に小さいです。たとえば、衛星の姿勢スラスターは、多くの推力を生成する必要はありません。衛星に見られる一般的なエンジン設計の1つは、「燃料」をまったく使用していません。加圧窒素スラスターは、タンクからノズルを通して窒素ガスを吹き付けるだけです。このようなスラスターはスカイラブを軌道上に保ち、シャトルの有人操縦システムでも使用されています。

新しいエンジン設計では、イオンまたは原子粒子を非常に高速に加速して、推力をより効率的に生成する方法を模索しています。NASAのDeepSpace-1宇宙船は、推進力にイオンエンジンを使用した最初の宇宙船でした[出典：SPACE.com ]。プラズマエンジンとイオンエンジンの詳細については、このページを参照してください。

ロケットエンジンと関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。

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