ロケット科学とは？

ロケット科学とは、ロケット推進を使って花火から有人宇宙船まであらゆるものを動かすことです。

ロケット工学の中心にあるのは、300 年以上にわたって確立されてきたアイザック ニュートンの運動の第 3 法則です。それは、すべてのアクションが等しく反対の反応を持っていると言います.壁の前に立って壁を強く押すと、後ろに移動します。

同様に、スケートボードの上に立って、重いものを自分からできるだけ強く投げ捨てると (自宅でこれを試みないでください)、逆方向に転がります。オブジェクトを前方に押すと、オブジェクトは同じ量の力であなたを押し戻します。

ロケットでは、押される「物体」は燃焼燃料の最終生成物であり、燃料が燃焼するとロケットの後部から飛び出し、ロケットを反対方向に動かします.

ロケット科学は複雑ですか?

全くない。ロケットを動かすには、3 つの基本的な要件があります。それは、ロケットを動かし、重力に打ち勝ち、コースを計画することです。これらはそれぞれ、ニュートンの時代から知られている物理学に依存しています。

何もない空間でロケットを飛ばすのは簡単ですが、地球上では地球の重力に打ち勝たなければなりません。これは、ロケットが大砲よりもはるかに優れているところです。サイエンス フィクション作家のジュール ヴェルヌは、後者を使用して、19 世紀に 3 人の乗客を乗せた砲弾を月に向けて発射することを提案しました。

しかし、大砲は、銃身から離れるまでに、ペイロードを地球の重力から離れるのに必要な速度 (脱出速度) まで上げる必要があります。 .

ヴェルヌの砲弾を必要な秒速 11.2 km にするための加速は、乗客を押しつぶしてしまいます。しかし、ロケットは燃料が持続する限り、より緩やかに加速し、徐々に地球の重力から抜け出すことができます.

コースの計画に関しては、繰り返しになりますが、必要なのはニュートンの物理学だけです。これにより、飛行経路が地球、太陽、月の引力によってどのように影響を受けるかを理解できます (他の惑星が影響を及ぼします)。しかし、これらはローカル フライトでは小さいものです)、さらにロケット エンジンの「火傷」です。

ロケット工学の成功を非常に困難にしているのは、科学ではなくエンジニアリングです。ロケットには非常に多くの複雑な技術が組み込まれているため、すべてが機能することを確認するのは非常に困難です。

では、ロケット科学は「ロケット科学」ではありませんか?

いいえ、しかし、誰もが物理学の基礎を理解できるわけではありません.

1920 年、アメリカのロケットのパイオニアであるロバート H ゴダードが、地球からのロケットが月に到達できると述べたとき、The New York Times ロケットの仕組みを明らかに理解できていませんでした。

新聞の社説は次のようにコメントしています。どちらに反応するか–それを言うのはばかげているでしょう。もちろん、彼は高校で毎日取り扱われる知識が不足しているように見えます。」

ロケット科学の詳細:

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社説が見逃していたのは、ロケットは大気を押すのではなく、背中から発射される燃える燃料によって押されるということです.

この新聞は、1969 年にアポロ 11 号が月に向かう途中だったときに「訂正」を掲載しましたが、ニュートンの物理法則とゴダードの評判を台無しにしたことについて決して謝罪しませんでした。

ロケットはどのように機能しますか?

すべてのロケットは、ロケットを前方に押し出すために後ろから何かを投げるという原理によって機能しますが、その「何か」が何であるかはさまざまです。

ロケット推進を使用した最も初期の知られている装置の 1 つは、紀元 1 世紀にアレクサンドリアの英雄によって設計されたエオリパイルでした。チューブから出る蒸気を使って金属球を回転させました。

ほとんどのロケットは可燃性物質を使用しており、燃焼によって生成されるエネルギーの高い排気ガスが推力を提供します。もともと、そのようなロケットは火薬で動力を供給されていましたが、より近代的な設計では、専門の固体燃料または水素のようなガスを使用して、最大の量を運ぶことができます.

宇宙ロケットは空気がなくても機能する必要があるため、大気中の酸素の役割を果たす酸化剤が必要です。これは液体酸素か他の物質かもしれません。

最新のロケット技術は、イオン ドライブまたはスラスターです。これは電動ロケットで、荷電粒子 (イオン) が電場によって加速され、ロケットの後部から飛び出します。

スラスターは非常に正確ですが非常に弱いため、ロケットの操縦に最も一般的に使用されます。ただし、深宇宙で使用するために設計されたロケットの主な推進力を提供できます.

ロケット科学はどのように始まったのですか?

ギリシャの蒸気ロケットとは別に、最も初期のロケットは花火大会や中国での武器として製造され、少なくとも 13 世紀にさかのぼります。

武器用の金属製ロケットは、19 世紀に西洋で使用され始めました。狙いを定めるのは困難でしたが、効果的なテロ兵器を提供し、銃とは異なりロケットには反動がないため、船からの使用が一般的になりました.

米国国歌の作者であるフランシス・スコット・キーが「ロケットの赤いまぶしさ」について言及した際に念頭に置いていたのは、この種の用途です。

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宇宙旅行に関して言えば、ロケットは実用化される何十年も前に物語に登場しました。

アメリカの組織が 1930 年代に初めてロケット工学の研究を始めたとき、軍はその概念全体があまりにも SF のようであることに気付いたと言われているため、カリフォルニア州パサデナの開発基地はジェット推進研究所と呼ばれていました。ジェット機、ロケットのみ。

同様に、航空機が短い滑走路から離陸するのを助けるために使用されるロケット パックには、「R」という言葉を避けるために「JATO」(ジェット支援離陸) があると言われていました。

第二次世界大戦後の米国とソ連の宇宙ロケットは、当初ドイツの V-2 兵器に触発されました。その開発者である Wernher von Braun は、紛争にはほとんど関心がありませんでしたが、自分の仕事を宇宙旅行の夢を実現する方法と見なしていました。

戦後、両超大国は V-2 からミサイルを開発し、最初のアメリカ人宇宙飛行士を宇宙に飛ばすために使用されたアトラス ロケットは、もともと大陸間弾道ミサイルとして設計されました。アポロ計画で使用されたサターン V ロケットでさえ、ジュピター シリーズからレッドストーン ミサイルまでさかのぼる血統を持っていました。

ロケットは大気中の酸素を利用できますか?

宇宙ロケットは酸素や過酸化水素などの酸化剤を搭載しており、宇宙で燃料を燃焼させることができます。しかし、打ち上げの最初の最も困難な部分では、彼らは大気中を移動しています.

飛行中に酸素を拾うことができれば、離陸重量を大幅に減らすことができます。そのため、大気中の酸素が利用可能なときにそれを使用することは非常に有利です。

問題は、これが大規模な技術的課題であることです。

水素/酸素ロケットでは、NASA が使用する多くのロケットと同様に、酸素を圧縮して約 -140°C に冷却してから水素と混合する必要があります。これは、氷を避けながら約 1/100 秒で行われなければなりません。空気中の湿気による閉塞。

これは、英国の会社 Reaction Engines によって構築された SABRE 推進システムで達成されました。 SKYLON スペースプレーン用に設計された実用的なロケット モーターで、これがすぐに使用されることが期待されています。

大きなロケットに複数のステージがあるのはなぜですか?

初期の SF のロケットと実際に人を宇宙に飛ばしたロケットとの最大の違いの 1 つは、実際のロケットには複数のステージがあり、ロケットが地球を離れたときにそれらが落下することでした。

このアイデアは、ロシアの学校教師でロケットのパイオニアであるコンスタンチン・ツィオルコフスキーによって 1903 年に初めて開発されました。

ステージは、ロケットが地球の重力から逃れるために大量の燃料を運ぶ必要があることを反映しています。燃料タンクが空になると、加速が必要な余分な質量になり、燃料が無駄になります。

燃料が使い果たされたときにステージを降ろす (またはスペースシャトルのような使い捨ての外部タンクを使用する) ことで、残りの宇宙船ははるかに軽くなり、加速に必要な燃料が少なくなります。

ツィオルコフスキーは理論家であり、最初の実用的な多段実験用ロケットを製造したのはゴダードでした。

地球に帰還する宇宙船は、空気抵抗、翼 (特にスペース シャトルの場合)、およびパラシュートの組み合わせを使用して再突入時に船の速度を落とします。これは、ロケットの力でゆっくりと着陸する SF のほとんどの宇宙船とは異なります。

ロケットは、月のように空気がなく重力が比較的小さい場所に着陸するために使用されますが、船は地球に軟着陸するのに十分な燃料を運ぶことができません。 .

ロケットで地球に戻るには、宇宙で何らかの形の燃料補給能力が必要になりますが、これは現在実現可能ではありません.

ロケットはどこで使用されてきましたか?

私たちは花火大会や宇宙船のロケットに精通していますが、軍隊は長い間ロケット技術を戦争に利用してきました.

他の場所では、ロケットは、立ち往生している船員を安全な場所に引き上げるための船間のラインを確保する方法として、また軍用機の射出座席で、救助用フレアで人命救助に使用されてきました.

ジェームズ ボンド映画 サンダーボール で使用されたジェットパック より正確にはロケットパックでしたが、ロケットは車やそりに動力を与えて速度を記録しました.比較的短期間に大量の推力が必要な場合は、多くの場合、ロケットが最適なソリューションです。

常にロケットを使用しますか?

イオン ドライブのような一部のロケットは、常に有用である可能性があります。しかし、地球から離れることと、太陽系外縁部や他の恒星への旅行を日常化するために必要な長期的な加速の両方のために、ロケットに取って代わることができれば理想的です.

ロケットに代わるものの 1 つが宇宙エレベーターです。

これには、衛星から地球の表面まで非常に長いケーブルを敷設する必要があります。次に、機械装置を使用してそれを登り、ペイロードを宇宙に運びます。ロケットよりもはるかに安価で、燃料を運ぶ必要がないため、素晴らしいコンセプトです。

しかし、地球から宇宙エレベーターを作るのに十分な強度の材料はありません。

ケーブルの長さは約 38,000km になります。約 50 トンを支えることができる、この長さの典型的な 28 mm スチール ケーブルの重量は 115,000 トンになります。ただし、原則として、月に宇宙エレベーターを建設するのに十分な強度の材料があります。

深宇宙に関しては、ロケットの要件の一部を、太陽光の圧力を使用して船を徐々に加速するソーラーセイル、または船全体を押す外部スラスターのような質量ドライバーに置き換えることができます.

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しかし、1958 年に考案された最も劇的な代替手段は、衝撃波に乗って船の背後にある小さな核爆弾を爆発させて船を推進させることです。

オリジナルのオリオン計画には、「1966 年までに火星、1970 年までに土星」というモットーがありました。建設されることはありませんでした (これらの核爆弾を地球からの離陸に使用するという当初のアイデアは、控えめに言っても非現実的だったためです)。

しかし、このアイデアは後のコンセプト宇宙船で再検討されました。核燃料の大きな利点は、はるかに多くのエネルギーを特定の質量に圧縮できることですが、これまでのところ、このアプローチは非現実的なものになっています。

• この記事は、BBC Science Focus の第 287 号に最初に掲載されました – 購読方法はこちら

専門用語集

大陸間弾道ミサイル (icbm) - 現代の宇宙ロケットの大部分は、世界中に核ミサイルを送るように設計されたロケットから開発されました。

イオン - 「スラスター」または「イオンドライブ」は、イオンを反応質量として使用します。イオンは、電子が除去または追加された原子であり、その結果、電場によって推進できることを意味する電荷を持っています。

メガニュートン (MN) - ニュートン (N) は力の標準単位です。 1N は、1 キログラムを 1 秒あたり 1 メートルずつ加速するのに必要な力です。地球の重力による 1kg の下向きの力は 9.81N です。 1 メガニュートンは 100 万ニュートンです。

リアクション マス - ロケットを前方に押し出すために後方から投げ出されるもの。従来の化学ロケットでは、これは燃料の燃焼による排気ガスです。

スラスト - ロケット モーターによって生成される力など、車両を前方に押すためにエンジンによって生成される力の量。