ロケットは、中国の爆竹から人間を火星に連れて行くことができる再利用可能なロケットまで、何世紀にもわたって歴史を形作ってきました。ロケット打ち上げ技術は長年にわたって劇的に進化しており、よりスリリングなイノベーションが間近に迫っています。
ロケット打ち上げ技術の最初の大きな飛躍は、固体燃料から液体燃料への移行でした。 2 つ目の大きな飛躍は、液体燃料と固体燃料の両方を使用する多段式打ち上げ方法でした。次に、何度も発射できる再利用可能なロケットが発明されました。将来、ロケット打ち上げ技術は、人間を太陽系の奥深くまで推進するために、いくつかのエキサイティングな新しい形をとるかもしれません.
ロケット打ち上げ技術の進化は、航空宇宙工学がどこまで進歩したかを証明しています。ロケット工学の過去を理解することで、ロケット工学が次にどこに向かっているのかについてのヒントが明らかになります。
火薬と固形燃料
ロケット発射技術の最も初期の形態は、西暦 1100 年頃に中国で開発されました。兵士たちは矢に火薬をはめ込み、弓から放った。固体の推進剤は、戦闘中の敵を驚かせ、散らばらせる大きな火花を散らす閃光で発火しました。この時期の後半に、中国人は木製のラックから発射されるより大きなロケットを発明しました。
ロケットという言葉は、これらの古代の武器に由来し、「火の矢」を意味する中国語に根ざしています。これらのロケットの飛行制御は、矢の羽根で構成されていました。興味深いことに、現代のロケットはまだ矢印のような形をしており、矢羽根が付いています。
何百年もの間、世界中の科学者が中国の「火の矢」を進化させようと試みてきました。ただし、テクノロジー自体にはほとんど革新がありませんでした。固体推進剤は、戦争や娯楽のためにロケットを発射するために使用されました。このすべてが 1926 年に変わりました。
液体燃料ロケットの打ち上げ
何世紀にもわたって、ロケットを発射する唯一の方法は火薬やその他の固体推進剤でした。固体推進剤は、戦場や花火大会などの短距離でロケットを発射するのに適していました.しかし、宇宙探査の夢を実現するためには、ロケット打ち上げ技術を進化させる必要があります。
ゴダードが歴史を変える
1926 年 3 月 16 日、マサチューセッツ州オーバーンで、ロバート ゴダードという名の若い科学者が、ほとんどの人が可能だとは思わないことを行いました。彼は史上初の液体燃料ロケットを打ち上げました。この新しいロケット打ち上げ技術は、酸素とガソリンの組み合わせを使用しました。この推進剤は、ロケットの金属パイプの骨格を通して運ばれました。ゴダードは、液体燃料は固体推進剤よりも少ない質量でより多くのエネルギーを提供し、より大きな加速を生み出すことに気付きました。彼の理論は正しかった。
ゴダードのロケットは時速 60 マイルに達し、当時の平均的な固体燃料ロケットよりもはるかに高速でした。これは、液体推進ロケットの打ち上げが可能であるだけでなく、未来であることを証明しました。今日、ロバート・ゴダードは近代ロケットの父と見なされています。 1945 年に亡くなるまでに、ゴダードはロケット工学で 200 以上の特許を取得し、6 つの高度記録を破りました。
第二次世界大戦の転換点
1942 年、第二次世界大戦を背景に、V2 ロケットという 1 つの発明が歴史の流れを変えました。有名なヴェルナー・フォン・ブラウンが率いるドイツの科学者チームは、ナチス軍の兵器として V2 を設計しました。ドイツ人は第二次世界大戦中にこれらのロケットを何千発も発射し、パリ、ベルギー、イギリスを含むヨーロッパ中の壊滅的な標的を破壊しました。
V2 の致命的な目的にもかかわらず、「宇宙時代を開始した」ロケットと見なされています。 V2 は、これまでに見たことのない航続距離とペイロード容量を備えていました。地上 50 マイル (80 キロメートル) まで移動でき、最初の真の宇宙ロケットと見なされています。
V2 は約 4 階建ての高さで、酸素とエタノールの組み合わせによって推進されました。液体燃料の革新的な利点の 1 つである制御を利用しました。液体推進剤は、固体推進剤とは異なり、飛行中にロケットの軌道を調整できます。 V2 の自動化された機内誘導コンピュータにより、この推進システムにより、ロケットをどこからでも発射して目的地に到達させることができました。
多段階打ち上げと固体燃料への回帰
連合国が第二次世界大戦で勝利を収めた後、米国とソビエト連邦はドイツの有名なロケット科学者の多くを採用しました。その中にはヴェルナー・フォン・ブラウンとセルゲイ・コロリョフがいて、どちらも V2 ロケットに取り組んでいました。コロリョフはソビエト連邦に行き、フォン・ブラウンはアメリカの宇宙計画の設立を手伝いました。
アポロ打ち上げシステム
歴史を通じてロケット工学が直面してきた主な課題の 1 つは質量です。物体が重いほど、打ち上げに必要な質量が大きくなりますが、燃料自体がロケットの質量をさらに増加させます。この問題を解決するために、NASA は多段液体推進ロケットを開発しました。この打ち上げ技術が、月のミッションが可能になった理由です。
サターン V ロケットは、アポロ ミッションを打ち上げました。この 3 段ロケットは 3 つの異なる液体燃料構成を使用し、各段の燃料タンクは消耗品でした。これにより、ロケットは時間の経過とともに質量を失い、高度が上がるにつれて効率が向上しました。第 1 段階では 5 つの F-1 エンジンが使用されましたが、これらは今まで発明された中で最も強力な単一ノズルの液体燃料ロケット エンジンであり続けています。
F-1 は、酸素と灯油を混合した液体を使用していました。 F-1 エンジンの上には、水素と酸素を使用する 5 つの J-2 エンジンを含む第 2 段階がありました。最後に、単一の J-2 エンジンを含む第 3 段は、液体水素と液体酸素を使用して第 2 段から投棄されました。
スペースシャトルの盛衰
アポロ計画の後、NASA は新しいロケット発射システムであるスペースシャトルに移行しました。月に到達することはありませんでしたが、スペースシャトルは依然として航空宇宙の進化の重要な部分であり、1960 年代の打ち上げ技術と今日の技術との間の架け橋を形成しています。
20 世紀に開発されたほとんどのロケットとは異なり、スペースシャトルは 2 つのブースターに固体燃料エンジンを使用していました。オービターの 3 つのメイン エンジンは液体燃料でした。 NASA が固体燃料エンジンを使用することを選択したのは、より安全で、複雑さが少なく、安価であるためです。しかし、1986 年のチャレンジャー号の事故の後、NASA は 3 億ドルを投資して固体ロケット ブースター (SRB) を再設計し、安全性と安定性を向上させました。
2 つの SRB は、スペース シャトルの離陸推力のほとんどを提供しました。その後、液体燃料のタンクが、残りのロケット打ち上げのために 3 つのメイン エンジンに燃料を供給しました。 2 つの恐ろしい事故にもかかわらず、スペースシャトルはロケット打ち上げ技術の重要な前進でした。再利用可能なブースターとオービターにより、21 世紀のロケット工学の舞台を設定しました。
最新の宇宙飛行:再利用可能なロケット
今日、民間の宇宙飛行会社は、米国を拠点とする SpaceX が率いるロケット打ち上げ技術の革新を推進しています。イーロン マスクによって設立された SpaceX は、世界初の軌道クラスの再利用可能なロケットを発明することで、航空宇宙産業を永遠に変えました。打ち上げ後、SpaceX のブースターは自律的にランディング パッドに戻ります。そこから回収され、別の飛行のために燃料が補給されます。
SpaceX は、2015 年 12 月 21 日に軌道打ち上げ中に Falcon 9 ブースターの 1 つを着陸させることに成功し、ロケット打ち上げの歴史を作りました。 Falcon 9 は、NASA が使用する主要な軌道ロケットになりました。ドラゴンカプセルに搭載された国際宇宙ステーションまで宇宙飛行士を運ぶことさえあります。ファルコン 9 の第 1 段は、液体酸素とロケット級の灯油を燃料とする 9 つのマーリン エンジンのクラスターを使用します。ペイロードを軌道に打ち上げる第 2 段階では、単一の Merlin 真空エンジンを使用します。
再利用可能なロケットは、宇宙飛行の未来に不可欠です。ロケットの最も高価な部品を再利用できる場合、打ち上げははるかに安価で無駄がありません。これにより、ペイロードへのアクセスが容易になり、より多くの人々に宇宙への扉が開かれます。
火星を目指して
初期の多くの失敗にもかかわらず、SpaceX は再利用可能な打ち上げ技術を習得しました。より大規模に、宇宙飛行会社は、月と火星に人間の乗組員を打ち上げることができる再利用可能なロケットを作成する計画を持っています. SpaceX の次世代の再利用可能な打ち上げシステムである「スターシップ」は、これまでに開発された中で最も強力な打ち上げ機になります。
SpaceX は、SpaceX のメタン燃料ラプター エンジンを使用してスターシップのプロトタイプをテストしています。メタンは、大気中に蓄積させるのではなく、メタンを自然に捕捉することによって生成される再生可能燃料になる可能性があるため、これは注目すべき重要な機能です。メタンはまた、他の液体燃料よりもコストとパフォーマンスの面で優れているため、他の民間宇宙飛行会社もメタンを採用するようになっています。スターシップが完全に運用可能になると、SpaceX はそれぞれを最大 1,000 回飛行させる予定です。
ロケット打ち上げの未来
ロバート・ゴダードが現代の宇宙飛行を開始して以来、ロケット打ち上げ技術は長い道のりを歩んできました。 SpaceX のような最先端の宇宙飛行企業が宇宙への道を切り開く中、多くの人がどんなロケット技術が間近に迫っているのか疑問に思っています。
2021 年、スペース X のドラゴン カプセルを周回する最初の民間人乗組員が打ち上げられました。今後 10 年以内に、民間の乗組員が月を周回できるようになります。今後 20 年以内に、人類はついに火星を歩くことができるようになる可能性があります。
これらの進歩が可能になったのは、何世紀にもわたるロケット発射システムの長い進化のおかげです。将来的には、世界は核推進を目にするかもしれませんし、光推進さえもが人類を星に打ち上げるかもしれません.
