ロケットの仕組み：推力、推進システム、軌道力学の解説

ロケットが打ち上がるたびに（有人のFalcon 9、ヨーロッパのAriane打ち上げ機、または小型の地球観測衛星ブースターであろうと）、エンジニアが20世紀初頭から使用してきた同じ物理原理を適用しています。これらの打ち上げへの公開の関心は通年高いままですが、推力、推進、軌道の基礎力学はしばしばスキップされます。NASAとヨーロッパ宇宙機関（ESA）を含む機関は、ロケットが実際にどのように機能するかについての詳細な説明を公開しています。このレポートはそのマテリアルに基づいています。

推力の生成：ニュートンの第3法則が作用

NASAのGlenn Research Centerによると、ロケットエンジンは燃焼室内に保存された燃料と酸化剤を一緒に燃やし、高温で高圧の排気ガスを生成します。そのガスはノズルに強制され、ノズルは車両を離れる前にさらに加速します。NASAは「推力はニュートンの第3法則に従って生成される」と明言しています：ガスはノズルから一方向に押され、ロケットは等しい力で反対方向に押されます。ESAは、風船の類似性を使って若い読者向けに同じメカニズムを説明しています。風船の首から一方向に出た空気が、風船を反対方向に押します。

NASAの推力方程式は、これを数値的にF = ṁVe + Ae(pe − p0)と表現しています。ここでṁはエンジンを通る排気の質量流量、Veは排気の出口速度、Aeはノズルの出口面積、peはノズル出口での圧力、p0は周囲（自由流）圧力です。実際には、ロケットが生成する推力の量は、主に毎秒どのくらいの排気質量が出て、その排気がノズルを出るときにどのくらいの速度で移動しているかに依存します。

なぜロケットは宇宙の真空で機能するのか

ジェットエンジンとプロペラは周囲の空気を吸い込むことに依存しており、車両が大気を離れると動作することができません。ロケットはこの制限を避けます。NASAが指摘するように、ロケットは大気中の酸素に頼る代わりに、自ら酸化剤を搭載しているからです。反応に外部の空気が関与していないため、推力方程式には「自由流」空気吸入項がありません。これが、NASAが言うように、ロケットが酸素の他の供給源がない真空で推力を生成できる理由でもあります。

比推力：エンジンの効率を測定

エンジニアはロケットエンジンを比推力（Isp）という数値を使って比較します。NASAのGlenn Research Centerはこれを推力を推進剤消費の重量流量で割ったものとして定義し、式Isp = F/(ṁ·g0)で表現されます。ここでg0は標準重力加速度（9.8 m/s²または32.2 ft/s²）です。NASAは、比推力がより高いエンジンは、同じ量の推進剤を燃やしてより多くの推力を生成するため、より効率的であると説明しています。これはロケット推進における燃料効率に相当します。

多段ロケット：不要な重量を削減

ほとんどの打ち上げ機は2段または3段で構成されています。ESAは、一段が推進剤をすべて燃やすと、空のタンクと使用済みエンジンハードウェアをさらに運ぶことは、車両の残りを加速するのに必要な燃料を無駄にするため、分離して破棄されることを説明しています。大型打ち上げ機は、打ち上げ時に余分な推力を得るために、第1段に固体または液体燃料ブースターロケットを装着します。これらのブースターも、使用済みになると破棄されます。ESAは、宇宙船が軌道に入るにはおよそ28,000 km/hの速度に達する必要があり、多段化が車両を軽くし続けることで上昇中にこの速度を達成するのを助けることを指摘しています。

化学推進と電気推進

すべての推進システムが地面から車両を打ち上げるように設計されているわけではありません。上記で説明したように、燃料と酸化剤を一緒に燃やす化学エンジンは、ロケットを地球の大気圏から持ち上げる唯一の実用的な方法です。しかし、既に宇宙にいるときの操舵のために、機関はますます電気推進を使用しています。NASAは、太陽電池アレイまたは原子炉で生成された電気を使用して、クセノンやクリプトンなどのガスをイオン化し、電気および磁場を使用してイオンをスラスタから加速するシステムを説明しています。

NASAのDawnミッションはトレードオフを示しています。小惑星帯に到達するまでにおよそ5年間電気推進を使用してから、VestaとCeresの天体間を操舵しました。これは化学エンジンの短く強力な燃焼では実現不可能な遅く着実な加速ですが、長期ミッションにおいて効率的です。ESAは、その月面プローブSMART-1と現在進行中のBepiColomboミッション（水星へ）についても同じ指摘をしており、どちらもイオンエンジンに依存しており、ESAの言葉では「太陽電池からのわずかな電力供給のみを使用して、穏やかに推し続けることができ」、わずかな推進剤供給のみが必要です。

軌道到達と軌道滞在

宇宙に到達することと、そこに留まることは異なる問題です。米国海洋大気庁（NOAA）は、衛星が軌道に留まるのは、その前進運動が地球の重力引きとバランスしているときであることを説明しています。重力は衛星の経路を地球に向けて曲げ続け、その横方向の速度は衛星を前に運び続けるため、2つの効果は直線落下ではなく円形または楕円形の経路に組み合わさります。衛星がその高度に対して遅すぎる場合、重力が優位になり下降します。速すぎる場合、その軌道を維持する代わりにバランスの取れた経路から外れます。

そのバランスに必要な速度は高度によって変わります。NOAAは、その高度から数百マイル上空で時速約17,000マイルで公転するNOAA-20衛星の例と、およそ22,000マイルの高さで時速わずか約6,700マイルで公転するGOES-East衛星を比較しています。これは、衛星が地球から遠いほど、重力の引きが弱く、軌道に留まるために必要な速度が低いことを示しています。NASAの地球観測所カタログは、共通の軌道クラスの具体的な数値を示しています。Aqua衛星は、約705キロメートル上空（低軌道）から地球を一周するのに約99分かかります。GPS衛星は、半同期中軌道で地表から約20,200キロメートル上空を飛行し、12時間の周期を持ちます。静止衛星は約36,000キロメートル上空に位置し、23時間56分4秒ごとに1周期を完了するため、地球上の1ポイントで固定されているように見えます。