ロケットのしくみ

固体ロケットの仕組み

ゲッティイメージズ経由のNASA /ゲッティイメージズ

固体推進剤ロケットには、古い花火ロケットがすべて含まれていますが、固体推進剤を使用したより高度な燃料、設計、および機能があります。

固体推進剤 ロケットが発明された 液体燃料ロケットの前に。固体推進剤タイプは、科学者のザシアドコ、コンスタンティノフ、および コングリーブ .現在、先進的な状態にある固体ロケットは、スペース シャトルのデュアル ブースター エンジンやデルタ シリーズのブースター ステージなど、今日も広く使用されています。

固体推進薬の機能

表面積は、推力と直接関係して存在する、内部燃焼炎にさらされる推進剤の量です。表面積が増加すると推力が増加しますが、推進剤が加速して消費されるため燃焼時間が短縮されます。最適な推力は、通常、燃焼全体で一定の表面積を維持することによって達成できる一定の推力です。

一定表面積粒子設計の例には、エンドバーニング、内部コアおよび外部コアバーニング、および内部スターコアバーニングが含まれます。

一部のロケットは離陸のために最初に高い推力コンポーネントを必要とする場合がありますが、打ち上げ後の回帰推力要件は低い推力で十分です。複雑なグレイン コア パターンは、ロケットの燃料の露出表面積を制御する際に、多くの場合、不燃性のプラスチック (酢酸セルロースなど) でコーティングされた部品を備えています。このコーティングは、内燃炎が燃料のその部分に点火するのを防ぎます。燃焼が燃料に直接到達したときにのみ点火されます。

特定の衝動

ロケットの推進剤の粒子固有のインパルスを設計する際には、これを考慮に入れる必要があります。これは、それが失敗 (爆発) の違いである可能性があり、最適化された推力生成ロケットに成功する可能性があるためです。

現代の固体燃料ロケット

長所/短所

• 固体ロケットが点火されると、停止や推力調整のオプションがなくても、燃料をすべて消費します。サターン V ムーン ロケットは、約 800 万ポンドの推力を使用しましたが、これは固体推進剤の使用では実現不可能であり、比推力の高い液体推進剤が必要でした。
• 単一推進剤ロケットの予混合燃料に伴う危険、つまりニトログリセリンが含まれている場合があります。

利点の 1 つは、固体推進剤ロケットの保管が容易なことです。これらのロケットの中には、Honest John や Nike Hercules などの小型ミサイルもあります。その他は、ポラリス、サージェント、ヴァンガードなどの大型弾道ミサイルです。液体推進剤はより優れた性能を提供するかもしれませんが、推進剤の保管と絶対零度 (0 度) 付近の液体の取り扱いが困難です。 ケルビン ）は、軍がその火力に要求する厳しい要求を満たすことができないため、その使用を制限しています。

液体燃料ロケットは、1896 年に出版された彼の「反応装置による惑星間空間の調査」で、ツィオルコスキーによって最初に理論化されました。彼のアイデアは、27 年後にロバート ゴダードが最初の液体燃料ロケットを打ち上げたときに実現されました。

強力な Energiya SL-17 ロケットとサターン V ロケットにより、液体燃料ロケットはロシアとアメリカを宇宙時代の奥深くまで推進しました。これらのロケットの高い推力能力により、宇宙への最初の旅行が可能になりました。 1969 年 7 月 21 日にアームストロングが月に降り立った「人類にとっての大きな一歩」は、サターン V ロケットの 800 万ポンドの推力によって可能になりました。

液体推進薬の機能

2 つの金属タンクには、それぞれ燃料と酸化剤が入っています。これら 2 つの液体の特性により、通常は打ち上げ直前にタンクに積み込まれます。多くの液体燃料は接触すると燃焼するため、別個のタンクが必要です。設定された発射シーケンスで 2 つのバルブが開き、液体が配管を流れ落ちるようになります。これらのバルブが単純に開いて液体推進剤が燃焼室に流れ込むと、推力が弱く不安定になるため、加圧ガス供給またはターボポンプ供給が使用されます。

2 つのうち単純な加圧ガス供給は、高圧ガスのタンクを推進システムに追加します。非反応性、不活性、および軽いガス (ヘリウムなど) であるガスは、バルブ/レギュレーターによって強い圧力下で保持および調整されます。

燃料移送の問題に対する第 2 の、そしてしばしば好まれる解決策は、ターボポンプです。ターボポンプは、通常のポンプと同じ機能を持ち、ガス加圧システムをバイパスして推進剤を吸い出し、それらを燃焼室に加速します。

燃焼室内で酸化剤と燃料を混合・着火させ推力を発生させます。

酸化剤と燃料

長所/短所

残念なことに、最後の点が液体推進剤ロケットを複雑で複雑なものにしています。実際の最新の液体二元推進剤エンジンには、さまざまな冷却、燃料、または潤滑流体を運ぶ何千もの配管接続があります。また、ターボポンプやレギュレーターなどのさまざまなサブパーツは、パイプ、ワイヤー、コントロール バルブ、温度計、サポート ストラットの別々のめまいで構成されています。多くの部品があるため、1 つの積分関数が失敗する可能性が高くなります。

前述のように、液体酸素は最も一般的に使用される酸化剤ですが、それにも欠点があります。この要素の液体状態を達成するには、摂氏-183度の温度が得られなければなりません。この条件では、酸素が容易に蒸発し、ロード中に大量の酸化剤が失われます.もう 1 つの強力な酸化剤である硝酸は、76% の酸素を含み、STP で液体状態になり、 比重 ―すべての大きな利点。後者のポイントは密度と同様の測定値であり、密度が高くなると推進剤の性能も高くなります。しかし、硝酸は取り扱いが危険であり（水と混合すると強酸が生成されます）、燃料との燃焼で有害な副生成物が生成されるため、その使用は制限されています.

紀元前 2 世紀に古代中国人によって開発された花火は、最も古い形式のロケットであり、最も単純化されています。もともと花火は宗教的な目的を持っていましたが、後に「炎の矢」の形で中世に軍事用に適応されました.

10 世紀から 13 世紀にかけて、モンゴル人とアラブ人がこれらの初期のロケットの主要な構成要素を西洋に持ち込みました。 火薬 .大砲と銃は火薬の東方導入から主要な発展となったが、ロケットも結果として生まれた。これらのロケットは本質的に、ロングボウや大砲よりも遠くに、爆発性の火薬のパッケージを推進する拡大された花火でした.

18 世紀後半の帝国主義戦争中、コングリーブ大佐は、4 マイルの射程距離を移動する有名なロケットを開発しました。 'rockets' red glare' (American Anthem) は、軍事戦略の初期の形でのロケット戦争の使用を記録しています。 フォート マクヘンリー .

花火のしくみ

導火線 (火薬でコーティングされた綿の麻ひも) は、マッチまたは「パンク」 (先端が石炭のように赤く光る木の棒) によって点火されます。この導火線はロケットのコアに急速に燃え込み、内部コアの火薬壁に点火します。前に述べたように、火薬の化学物質の 1 つは、最も重要な成分である硝酸カリウムです。この化学物質、KNO3 の分子構造には、3 つの酸素原子 (O3)、1 つの窒素原子 (N)、および 1 つのカリウム原子 (K) が含まれています。この分子に閉じ込められた 3 つの酸素原子は、ヒューズとロケットが他の 2 つの成分である炭素と硫黄を燃焼させるために使用した「空気」を提供します。したがって、硝酸カリウムは酸素を容易に放出することによって化学反応を酸化します。ただし、この反応は自発的ではなく、マッチや「パンク」などの熱によって開始される必要があります。