ロケットの動作原理：推進システムと打上げ技術の解説

ファルコン9でクルーをリフトするものからスターシップのテスト飛行まで、すべての軌道打上げはアイザック・ニュートンによって最初に説明された同じ基本的な物理に依存しています。すべての作用に対して、等しく反対の反応があります。ロケット・エンジンは推進剤を燃焼し、その結果の高温ガスをノズルから高速で排出します。ガスはロケットを反対方向に押します。NASAのグレン研究センターによると、このアクション・リアクション・ペアはロケットとその排気ガスの間に存在し、これはロケットが宇宙の真空で動作し、空気やその他のメディアに反対する必要がない理由を示しています。

物理学：推力と比推力

エンジニアはエンジンのパフォーマンスを2つの数字で説明します。推力と比推力です。推力は生成される力で、主にどの程度の質量がノズルから流出し、どの程度の速度で流出するかによって駆動されます。比推力（Isp）は秒単位で測定され、エンジンがどの程度効率的に推進剤を推力に変換するかを説明します。NASAグレン研究センターは推力を推進剤の重量流量で割ったものとして定義しているため、より高いIspを持つエンジンは同じ量の推進剤からより多くの推力を生成するか、同じ推力に必要な推進剤が少なくなります。

その単一の数字によって、エンジニアはエンジンのサイズを決定し、非常に異なる推進システムを等しい条件で比較することができます。これがなぜIspがロケット仕様書に常に表示されるのかです。

化学推進：液体、固体、およびハイブリッド

地球の表面を離れるほぼすべての乗り物は化学推進を使用し、燃料と酸化剤が反応して高温の膨張ガスを生成します。3つの主な構成があります。液体推進剤エンジンは燃料と酸化剤を別々に保存し、燃焼室にポンプで送り、エンジンをスロットル、シャットダウン、および再起動することができます。これは政府および民間打上げプロバイダーの両方で使用される柔軟性です。固体推進モーターは燃料と酸化剤をロケットケーシングに詰められた単一の固体粒に混合します。構造的に単純で安価ですが、一度点火されると、推進剤が使い果たされるまで燃焼します。ハイブリッド・システムは固体燃料と液体またはガス酸化剤を組み合わせ、2つのアプローチの間に位置します。

スターシップとスーパー・ヘビー・ビークル上で使用されるスペースX社のラプター・エンジンは、液体推進内の新しいアプローチを示しています。航空宇宙出版物Everyday Astronautによると、「フルフロー・ステージド・コンバッション」設計では、すべての燃料とすべての酸化剤が、主燃焼室に到達する前に2つの別々の予燃焼器を通過します。ラプターはメタンガスと液体酸素を燃焼させます。スペースX社はメタンを選択しました。部分的には、メタンはケロシン燃料エンジンの再利用を複雑にするすすの堆積物を残さずに燃焼するため、部分的には、メタンは原則的には火星からの現地資源から製造される可能性があるためです。出版物はラプターは真空比推力が約330～350秒で約200万ニュートンの推力を生成すると報告しています。

打上げ用ロケットが段階で構成される理由

地球の表面から軌道に到達するには、欧州宇宙機関のランチャーガイドによると、約150キロメートル以上の高度に到達しながら、毎秒7.9キロメートルを超えて移動する必要があります。単一のエンジン設計は飛行全体で効率的にこれを行うことはめったにありません。したがって、ほとんどの軌道ロケットは、推進剤が使い果たされたら破棄される段階に分割され、不要な重量を流して、残りの段階がより簡単に軽い乗り物を加速できるようになります。

ESAのアリアン級飛行の説明は、実際にどのようにこれが行われるかを示しています。ブースターと主段階は垂直上昇の最初のおよそ2分間一緒に発火し、主段階は約12分間燃焼し続けますが、ブースターはすでに分離され、約60キロメートルの高度で海に落ちています。その後、上段階が最終期間に発火し、ミッションのピーク速度である約8キロメートル毎秒に到達する前にペイロードを放出します。その仕事が終わった後、使い尽くされた上段階は通常、「墓地軌道」に移動されるため、活動的な衛星との衝突の危険にはなりません。

打上げ以外：電気およびイオン推進

宇宙船がすでに軌道または深宇宙にある場合、化学推進は長い旅には常に最も効率的な選択肢ではありません。多くのプローブは代わりに電気推進を使用し、これは推進剤（通常、ガスのキセノン）をイオン化し、結果として得られた電荷粒子をソーラーパネルによって供給される電場を使用してスラスターから加速させます。NASAのジェット推進研究所は、これらのシステムからのスラストをきわめて穏やかなものとして説明しています。Psyche小惑星帯ミッションの場合、そのイオン・スラスターによって生成される圧力は、フルパワーでも、手に3本のクォーターを握っている場合と比較されます。

その小さなスラストは地球から何かを持ち上げるのに十分ではありませんが、摩擦のない宇宙環境では数ヶ月間継続的に適用でき、徐々に速度を高めます。JPLはサイキーのソーラー・エレクトリック・スラスターがすでに宇宙船を時速約84,000マイルに、そしてそれぞれ時速約124,000マイルに到達すると報告しています。これは、イオン推進が打上げの代わりに宇宙内巡航に限定される理由を示しています。化学エンジンのはるかに高いスラストは、わずか数分で重力と大気圏ドラッグを克服するために必要とされます。