空気を吸うロケットの仕組み

ほとんどのプロジェクトはインスピレーションを得るために未来に目を向けていますが、宇宙機関のプロジェクトの 1 つは、宇宙旅行をより安くするために、より従来型のエンジン技術に注目しています。打ち上げ時の宇宙船の負荷を軽減するために、NASA のエンジニアは、搭載された酸化剤の必要性を排除した新しいロケット エンジンを設計しました。代わりに、この新しい空気呼吸ロケットエンジンは、軌道に向けて速度を上げながら空気から酸素を抽出して燃料を燃焼します。

ロケットイメージギャラリー

空気を吸い込んで推力を提供するエンジンというアイデアは新しいものではありません。ジェットエンジンは何十年もの間このプロセスを使用してきました。超音速ジェットエンジンに大気中の空気を利用して軽量宇宙船に動力を供給すれば、最終的に宇宙船を軌道に乗せるコストが削減されます。現在、物体を軌道に乗せるのにかかる費用は 1 ポンドあたり約 10,000 ドル (1kg あたり 22,000 ドル) です。これらの価格では、体重 150 ポンドの人を宇宙に送るには 150 万ドルかかるでしょう。 NASA の目標は、今後 25 年以内に打ち上げコストを 1 ポンドあたりわずか数百ドルまで削減することです。彼らは、そのための 1 つの方法は、現在燃焼に必要とされている 100 万ポンド以上の液体酸化剤を廃棄することであると信じています。

アラバマ州ハンツビルにある NASA のウーヴェ・ヒューター氏は、「空気を吸うロケット エンジンの技術には、一般の人々に宇宙のフロンティアを開く可能性がある」と語った。今回のHow Stuff WILL Workでは、どのようにして宇宙に飛ぶことができるのかがわかります。これらの空気を吸うロケットの 1 つについて、エンジンがどのように機能するのか、そして空気を吸うロケットがどのように宇宙に打ち上げられるのかについて説明します。

エンジン

従来のロケット エンジンでは、液体酸化剤と燃料が燃焼室にポンプで送り込まれ、燃焼して高圧かつ高速の高温ガス流を生成します。これらのガスはノズルを通って流れ、ノズルによってさらに加速され (通常、出口速度は 5,000 ～ 10,000 マイル)、エンジンから排出されます。このプロセスにより宇宙船に推力が与えられます。

「ロケット エンジンのしくみ」に関する記事を読んだことがある人なら、スペースシャトルには143,000 ガロンの液体酸素が必要で、その重さは約 1,359,000 ポンドであることをご存知でしょう。空の場合、シャトル自体の重さはわずか 165,000 ポンド、外部タンクの重さは 78,100 ポンド、2 つの固体ロケットブースターの重さはそれぞれ 185,000 ポンドです。合計613,000ポンドになります。燃料と酸化剤を追加すると、車両の総重量は 440 万ポンドに跳ね上がります。

NASAは、液体酸化剤を取り除いた場合、打ち上げ時に機体の重量を簡単に減らすことができ、機体の重量はすぐに約310万ポンドに減少すると判断した。これでもまだ重いビークルですが、ビークルを軌道に打ち上げるコストが大幅に削減されることになります。

では、液体酸素を除去してしまうと、燃料が燃焼して推力を得ることができなくなるのではないか？従来のロケット エンジンの通常の動作を超えて考える必要があります。液体酸化剤を使用する代わりに、空気呼吸ロケットは、その名前が示すように、大気から空気を取り込みます。次に、それを燃料と組み合わせて燃焼を引き起こし、推力を提供します。

空気呼吸ロケット エンジンは、ロケットベースの複合サイクル エンジンとも呼ばれ、ジェット エンジンに非常に似ています。ジェットエンジンでは、空気はコンプレッサーによって吸い込まれます。次に、エンジンは空気を圧縮し、燃料と混合して生成物を燃焼させ、生成物が膨張して推力を提供します。ジェット エンジンは、部品が過熱し始めるまでマッハ 3 または 4 までしか使用できません。超音速燃焼ラムジェットまたはスクラムジェットでは、空気入口が空気を吸い込みます。車両が大気中を速度を上げて通過するにつれて、空気は遅くなり、圧縮されます。燃料が超音速気流に追加され、そこで 2 つが混合して燃焼します。空気呼吸ロケットで使用される可能性が最も高い燃料には、液体水素または炭化水素燃料が含まれます。

リフトオフ

空気を吸うロケットと同じくらい効率的ですが、打ち上げのための推力を提供することはできません。そのために、2 つのオプションが検討されています。 NASA は、車両を地上から離陸させるために、ターボジェットや空気増強ロケットを使用する可能性があります。空気増強ロケットは通常のロケット エンジンと似ていますが、十分な速度 (おそらくマッハ 2 か 3) になると、大気中の空気による燃料の酸化が増大し、場合によってはマッハ 10 まで上昇する点が異なります。その後、通常のロケット機能に戻ります。これらの空気増強ロケットは、空気を取り込むダクト内に配置されており、従来のロケットよりも性能を約 15 パーセント向上させることができます。

さらにその先には、NASA が磁気浮上(リニアモーターカー) 軌道を使用して空気呼吸ロケットロケットを打ち上げる計画を開発中です。リニアモーターカーの軌道を使用すると、車両は最高時速 600 マイルの速度まで加速してから空中に浮き上がります。

打ち上げ後、車両が音速の 2 倍に達すると、空気増強ロケットは停止します。推進力は空気呼吸ロケットロケットによって提供され、燃料を燃焼させるために飛行の約半分の間酸素を吸入することになる。この利点は、過去の宇宙船ほど多くの酸素を宇宙船に貯蔵する必要がないため、打ち上げコストが削減されることです。ロケットが音速の 10 倍に達すると、従来のロケット動力システムに戻り、最終的に軌道に乗ります。

酸化剤の重量が軽減されるため、現在の宇宙船よりも操縦が容易になります。これは、空気を吸うロケット推進車両での移動がより安全になることを意味します。最終的には、一般の人々が宇宙旅行者としてこれらの乗り物に乗って宇宙へ旅行するようになるかもしれません。

クリーブランドのマーシャルセンターとNASAは、2005年までに飛行実証用に社内で飛行重量の空気吸入ロケットエンジンを設計する計画を立てている。このプロジェクトは、空気吸入ロケットエンジンを打ち上げロケットに使用できるほど軽量に製造できるかどうかを決定することになる。

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