【宇宙】ロケットの仕組み【エンジンの仕組み】
【書き起こし】【宇宙】ロケットの仕組み【エンジンの仕組み】
(00:01) [音楽] みなさんこんにちはメカのロマンを探求 する会 今回のお題はこれ ロケットの仕組み 人類が地上から宇宙に行く手段として今の ところロケットが唯一の方法ですよね ロケットの仕組みについて燃料を燃やして そのエネルギーで飛ぶというのは何となく イメージがつくと思います 遠いってもジェットエンジンと何が違うの かなんであんなに巨大なのかなどいろいろ と不思議な部分があるメカなのは間違い ありません ということで今回は人類のロマンである ロケットについて調べてきましたのでご 紹介したいと思います ロケットの話をするとは言っても20分 前後の動画にいろいろ詰め込むとと 散らかってしまうのでロケットの代用と 液体ロケットの基本的な仕組みについて 触れていきます ロケットとは何なのか そもそもロケットとは一体何なのでしょう か wikipedia にはこう書いて あります ロケットは自らの質量の一部を後方に射出 しその反省をで進む力を得る装置
(01:08) もしくはその数力を利用して移動する装置 である 書から酸化剤を取り込む場合は除くん これの一番わかりやすい例はジェット風船 だと思います ジェット風船は自分が持っている空気を 風船のブームがチーム力で吹き出しその反 作用で飛びますよね これって実はロケットそんなものなんです 多くのロケットエンジンは燃料を燃やして その熱でガスを加熱して水力を得ています がそうじゃないロケットエンジンもあって 例えば探査機のはやぶさが搭載していた イオンエンジンは委員を電気的に加速して 後ろに飛ばし半玉を得ます 燃焼エネルギーこそ使っていませんが イオンを後ろに飛ばしているのでロケット なのは間違いありません とはいうものの一般的にロケットや ロケットエンジンといえば燃焼ガスを使う ものがおいしいパッと思い浮かびますよね こういう年少の力を使うロケット化学 ロケットと呼びます燃料の参加という科学 的な反応を使うからですね
(02:13) なおロケットとロケットエンジンは もちろん意味が違うモノロケットは ロケットエンジン+燃料タンクにちょこん と誘導装置とペイロード様は荷物ですねが 取り付いている構成のためうまく切り分け られない場合もあります h 兄は間違いなくロケットエンジンで 飛ぶロケットです でも宇宙に行くメカでもスペースシャトル はあまりロケットとは言いません また秋水はロケットエンジンを積んでいる ものの期待は正真正銘の飛行機なので ロケットエンジンネットブ飛行キーですよ ね 動画内ではなるべく使い分けるつもりです がどうしてもうまくいかずに表現が微妙な ところが出てくると思いますのでその点に ついてはご了承ください ロケットの構造と仕組み さっきものを燃やして水力 l タイプの ロケット化学ロケットと呼ぶとお話しし ました この中でも固体ロケットと液体ロケットと さらに細かく分類されます 前者は桜花とかスペシャトルのブースター やイプシロンロケットに使われ後者は週数
(03:19) やスペイシャトルの面園児やへ12園など が採用しています それぞれ得意不得意があるので使い分け られているんですね 化学ロケットは燃料を燃やして高の燃焼 ガスを乱します だから燃料と酸化剤の2つの物質を搭載 する必要があってこれらの燃料が酸化剤を まとめて推進役と呼んでいます 固体ロケットは文字通り答えの燃料を 燃やすのですが燃料と酸化剤が一緒に 練り込まれて整形されていて燃焼室も 兼ねるモーターケースと呼ばれる筒の中に 収まっています だから使うときは基本的に転化するだけに なります 液体ロケットは燃料と酸化剤が液体な ロケットです これはジェットエンジンとかレシプロ エンジンに近いようなイメージで 燃料と酸化剤は別々のタンクに入れられて いて使用するときにポンプやガスの力で 燃焼室に送られ親されます なお人工衛星の打ち上げのには使われない ものの一液性の液体ロケットというものも
(04:24) あります それぞれのざっくりした特性をご紹介し ます 答えロケットはシンプルで設計がしやすく 燃料が一体成形されるため長期保存が可能 で使いたいときにすぐ飛ばせ また短時間に大きな勢力を乱すことが得意 です その代わり一旦指導すると燃え尽きるまで 止まりませんし制御も困難です それゆえに飛ばすの重視の用途に向いてい ます 小型のロケットや探査機の打ち上げや大型 の血統のぶーさー また兵器にも向いていて打ちたいときに すぐ飛ばす必要がある大陸間弾道ミサイル 短距離ミサイルなどが得意分野になります 一方の液体ロケットは構造が複雑になり ますまた推進役をえっぱなしで長期間保存 することができません その代わりに制御が容易で長時間水力を 出し続けることができます また大型のものは答えロケットより軽量に なります だから大型のものを正確に打ち上げる用途
(05:28) に向いています adu と人がのルーロケット 精密な誘導が必要な人工衛星の打ち上げ などが得意分野だと言えます 液体ロケット大 cb 6を作ると燃料 注入作業で発射準備が的に貼れますこれは よくニュースになっていますよねジェット エンジンとは何が違うのかロケット エンジンとんだよなエンジンに z エンジンがあります この両者の違いは外気から酸化剤を 取り込むかどうかという点にあります絶 10人もロケットエンジンも期待に燃料を 持っているのに違いはありません でもジェットエンジンは大気中の山荘酸化 剤として燃料を燃焼させて燃焼ガスを 生み出しているのに対してロケット エンジンは酸化剤を自分で持っています だからジェット機は空気がない宇宙まで 行けませんがロケットは周りに空気が あろうがなかろうが関係ないどころか空気 がない方が空気抵抗な悪影響を受けず ありがたいと言えます 逆にロケットエンジンとジェットエンジン
(06:31) が同じ部分もあってそれはノズルです 園児のノズルは燃焼室はがんばって 生み出したが沿う運動エネルギーに変換 する部分でここの良し悪しによって エンジン全体の性能が変わってきます ジェットエンジンの場合サッコがターボ ファンが主流なこともあってかノズルが 目立つことはあまりありませんがそれでも 特に戦闘機においては可変機構などが採用 されていますよね液体ロケット ポケットには答えロケットと液体ロケット があると先ほどお話ししたのですが今回は 液体ロケットに絞ってお話ししていきます 液体ロケットがメインのロケットの全体的 な構造はこのようになっています この画像はアメリカのデルタ ii と いうロケットの構造を示しています 画像のタイプでは3段構成になっていて 飛び立つ瞬間は1段目のエンジンを使用 高度が上がると1段目を切り離して2段目 のエンジンで加速 その次は2段目を切り離して3段目を使う という運用を行います デルタつの場合1段目と2段目は液体
(07:36) ロケットです 水色の部分が1段目の推進役タンクを示し ていて機体の大部分は水深約パンクなのが 分かると思います ロケットが上昇するごとにどんどん 切り離して運用するリーは空になった タンクを捨てて軽くするためです戦闘機が 積んでいる僧僧を大掛かりにしたもうと 考えて大丈夫です ロケットわぁ期待の85から90 パーセントが水深約タンクなので巨大な顔 の炭鉱を運ぶほど無駄なことはありません またエンジンの設計も相談が使われる環境 に応じたものになっています さらに新功能中では不要なフェアリングも 大気圏外に出たと切り離します これらの分離は拉致をがっちゃんと外す ような生易しいものではなく 炸薬でボルトやナットを爆破して接続部分 を切断していきます 液体ロケットエンジンの仕組み 液体ロケットの仕組みをざっくりとお話 すると
(08:38) まずは燃焼ガスを生み出すことが肝なので そのための燃焼室があります 燃焼室に送り込まれた推進役が混合された 上で燃焼して 高圧のガスを発生させます ところがロケットを動かすためには膨大な 推進役の流量が必要で宇宙にも行くので 重力に頼るわけにはいきませんよねだから 燃料と酸化剤を燃焼室に送り込むための 移送装置があります減少室で生み出された 燃焼ガスは高温高圧なだけなので効率よく 水量加えるためにそれを加速させる no するが分かれています 燃料の移送 液体ロケットエンジンは燃焼室にいかに 推進役を送り込むかが大切になってきます 燃料流量が尋常じゃありませんからね この方法には2つあって ガスの圧力で押し込むガス oc 式と 機械的なポンプであっそうするポンプ式 です ガスを司式はシンプルであるものの推進役 のタンクに圧力をかけるためタンク自在に
(09:44) 頑丈さが必要で重たくなります デルタ ii の2段目のエンジンは本 タイプの位相方式を使っています ヘリウムスフィアっと書いてあるのが 水深約いそうよねヘリウムガスが蓄えられ ているタンクだと思われます 1本のポンプ式は構造が複雑になるものの システム全体を考えると軽量に作れます h 2へも主水も v 2もスペースシャトル もポンプ式が使われています 皆さんが乗っている車の燃料ポンプは電動 で動くポンプかリズレンジの場合は シャフトから動力を得ているか そんな気候がほとんどだと思います 液体の観点人に比較的近いジェット エンジンもタンク内の電動ポンプに加えて 最終的なカーツはエンジンのシャフトに つながっている機械式ポンプを組み合わせ ています それを踏まえて考えると液体ロケットの ポンプはかなり特殊で上のような構造に なっています [音楽] この写真は会12月んでいる le 7へ というエンジンの燃料ポンプです
(10:50) サイズがかなり巨大なことがわかると思い ます 単段の axial フロータービンに二 段構えのラジアルフローポンプがくっつい ているのが見えますよね 一段目で圧倒されつつ外が2度した液体は いったん中心に集められ サイドに断面のラジアルポンプに入って いきます ポンプのまあについている渦巻き状の物体 は院流サーと呼ばれるもので 高い圧力を求めるのではなく ポンプが液体を吸い込むのを補助しさらに ポンプのキャビテーションを抑制するため の掃除です ポンプが高速で動く等圧極左が発生する ため液体の沸点が下がって沸騰して貴方に なってしまいます この気泡が弾ける時に圧力波にある衝撃が 発生するためポンプやすくルーでは 忌み嫌われる現象です 潜水艦でキャビテーションが起こると音で 敵のソナーに探知されてしまいます さてこのタービンは燃料が燃えた燃焼ガス によって動かされます 燃料はフォンちゃんの燃焼室に行く前に
(11:55) プリバーナーと呼ばれる部屋で少しだけ 燃焼させられその時に生成された燃焼ガス でタービンを回しポンプを駆動する仕組み になっています 液体ロケットのエンジンの全体の概要は こんな感じになっています このタイパ2段燃焼サイクルというタイプ でパッと見は約欲しいのですが 人を追っていくと理解できます h 22 a のポンプは燃料用と酸化剤 ように分かれていましたがこちらは一体と なっています まず燃料のルートですがバンクから来た 燃料はポンプであっそうされ コーンのノズルを冷却しつつ燃料自身を熱 をもらっていきたいであったものが気化し ますそしてそのまま前洋画プリバーナーと いう燃焼室に送られます ここで一旦酸化剤を見てみましょう 酸化剤も燃料と同じくポンプであっそうさ れるのですが直接燃焼室に送られる分と プリバーナーに送られる部分に分割され ます この地プリ端に向かうのはわずかな割合
(12:58) です プリバーナーに送られた燃料は酸化剤に よって燃やされてここで燃焼ガスが発生し ます とはいっても理想的なく二年比ではなく 燃料が圧倒的に多い超リッチな状態である ため不完全燃焼を起こします その時に発生したガスがタービンを回して この回転力がシャフトによって回転式の ポンプに伝えられて燃料が酸化剤をあっ そうします ターミをまあ背負うた燃料は燃焼室に送ら れた上でプリバーのをバイパスした大部分 の酸化剤と混合されて本格兵器に燃焼し ます 燃料と酸化剤を燃焼させてシャフトをまー すのはまさにターボシャフトエンジンです ね こういうタイプのポンプをターボポンプと 言います プリバーナの燃焼ガスの温度は500から 600度シート体をなためガスタービン エンジンでおなじみのタービン冷却装置が ありません 旅の中を冷却空気が通ったり表面から 吹き出したりするやつですね 液体ロケットのターボポンプはただの
(14:03) ポンプと思いきやなかなか難しいことを 行っているのがわかります よくポンプの不具合で打ち上げ延期や場合 によっては失敗することもありますがこの ような複雑で繊細なシステムを使っている ことを考えると何となく納得がいきますよ ね 最近はポンプの電動化も研究が進められて いるようで信頼性の向上 構造のシンプル化コンパクト化などが期待 されています ノズル ロケットエンジンの性能決めるうえで とても大切なのがもズルです ただのダクトといえばそうなのですが通路 を形成するだけではなくちゃんとした目的 があります ロケットエンジンはもちろんのこと 車のガソリンエンジンも飛行機のジェット エンジも燃焼ガスエネルギーを機械的な エネルギーに変換しています シャフトを回したりガスを噴射したりです よね ところが燃料を燃焼させて生まれてくるの は熱だけです だから燃料を燃やすだけで直接機械的な エネルギーを取り出せるわけではありませ
(15:07) ん これが難儀するところで何か者の方法で 返還せにゃならんのです 燃焼ガスが持つエネルギーのイメージは こんな感じになります 速度による運動エネルギー 圧力のエネルギー熱のエネルギーです 車のガソリンエンジンは燃焼室のガスが 燃焼し自信に熱が与えられることで圧力が 高まってピストンが押し下げられます この地下のコンロッドとブランク明けとっ て回転力として取り出します ガスに目を向けるとピストンが下がると いうことはガスの体積が増える 見方を変えると膨張するとも言えるので 圧力が下がり温度も低下します 主体は圧力だと言えますね 一方のロケットエンジンやターボ10分 エンジンの推力はこんな感じで表されます ガスの流量が一定であれば廃棄の速度が 速ければ速いほど 出口圧力が高ければ高いほど大きな推力を 得ることができます 補足この式の前半の赤字部分は運動量水力
(16:13) といいっ例えて言うならば台車に乗った人 が後ろにボールを投げて反動で得られる 水力です後半の青字部分は圧力水力といい 燃焼ガスの圧力によってロケットが前に 押される水力でレシプロエンジンのピ布団 みたいな感じで力を受けることを示します 7 s がガスの速度を重視したほうが高 効率となるため ノズルを通過させることで燃焼ガスの熱と 圧力を速度に変換しています どうしてそんなことができるのでしょうか ガスを加速させるためロケットエンジン ノズルの断面はこのようになっています 燃焼ガスの通り道がいったん狭まって再び 広くなっています これを今バー前途ダイバージェントと言い ます ガスが先細りのツールを通ろうとするとき 何が起こるのかというとベルヌイの定理に よって加速されつつ静圧が低くなります キャブレーターと同じ要領ですね キャブの通路が細くなることで負圧を
(17:18) つくって円了を吸い上げています 制圧圧力が低くなると何が起こるのかと いえばガスを縮め com 力が小さく なるために燃焼ガスは膨張します それと同時に温度も低下します 機体は圧縮すると体積が小さくなると同時 に温度も上がりますがそれの逆が起こるん ですね レシプロガソリンエンジンの包丁工程でも 同様なことが言えます イメージ的にはこのようになります 燃焼ガスが持っている運動エネルギー圧力 もエネルギー熱のエネルギーのうち 圧力のエネルギーと熱エネルギーは 切り離して考えられないのですがガスが 先細りのツールを通過するだけで圧力と熱 を速度に変換しています これはジェットエンジンノズルもそうです し 車のターボチャージャーも先細りを使って ガスを加速させています ただしこの方法で出すを加速できるのは 音速 マッハ1までです ガスを後ろに飛ばし
(18:21) その反力による数力だけを考えるのであれ ばガスの速度がマッハ1であればロケット もマッハ1までしか加速できません でもロケットはハ役とが奴の圧力差も使っ て水力を作れるため 畳排気がマッハ1泊まりでも期待はそれ 以上に加速します ところが圧力差を吸う力にするこの方法は 効率が悪いです だからできればガスをソクまで加速 させたいわけです 音速をこうやってガスはベルヌーイの定理 が逆に聞いてきます だから今度はノズルを末広がりにすれば さらにガスは加速され傍聴して音とも 下がります つまりが数の運動エネルギーをもっと 増やすことができます こうやって燃焼ガスが持つ温度と圧力の エネルギーを先細りから末広がりのノズル を通過させることでガスの運動エネルギー に変換し ロケットは効率よく吸う力をゲットできる んです こういう形状ノズルをラバールノズルと 言います
(19:23) 10点時も同様で超音速機の反りも全く 同じ原理を使っています 飛行機だとコンバージェンスとダイバー ジェントノズルと呼ぶのが一般的ですかね ノズルの作用によってガスを傍聴させれば させるほど効率よく問うことができます これは車のエンジンでも同じで アトキンソンサイクルやミラーサイクルと いうのはガスをよく膨張させることによっ てより多くの機械的エネルギーを貸すから 絞り出します ところがロケットエンジンの場合待機中で は帯域があるため むやみやたらに膨張させて圧力を下げると 大気圧にガスの圧力が負けてしまい流れが 不安定になって振動を起こし最悪ノズルが 壊れます だから2弾とか3段のロケットの場合大家 宙を飛ぶ1段目のロケットは膨張比を抑え て設計 2段目は三段目は空気がほとんどない宇宙 で作動するため 膨張比を大きく取るような設計がされてい ます 液体ロケットの推進役について
(20:27) 液体ロケットは燃料と酸化剤の2つの薬剤 を持っています それぞれ個別に考えるのではなく 組み合わせがある程度決まっています液体 酸素+液体水槽 こういう+液体山荘 ヒドラジン+し酸化二窒素 などなどの組み合わせがあります 詳細は割愛しますがそれぞれ長所短所が あるため場合によって使い分けられてい ます え12会は液体水素+液体酸素を使ってい て 秋水は燃料にヒドラジン止めたのる酸化剤 に過酸化水素が用いられていました ロケット全体の重要に占める推進役の割合 は85から90パーセント程度となってい て燃料タンクにエンジンと荷物を載せて いると言っても過言ではありません 答えロケットの場合も同様でこちらも やはり推進役に荷物が着いていると言って も怒られないレベルだと思います ロケットの推進役がいかにおいか他の森 ものと比較してみます
(21:32) 僕が持っているやりすは総重量1200 75kg で燃料タンクが40リッター です ガソリンの比重を0.73とすると ガソリンの重量割合は車体総重量の約 2.3%にしかなりません 燃料をたくさん搭載する乗り物といえば 飛行機なのですがぼいんぐ777ダッシュ 200 er は最大離陸重量 298飛んで燃料のジェット a 1を約 17万リッター搭載でき 重量に直すと約135トンです なので最大離陸重量に占める燃料の割合は 約45.4%になります 我が国 h 2 a ロケットは ブースターに機の場合打ち上げ時の重量は 293飛んでさっきの77ダッシュ200 er とほぼ同じです というか重量が似ていたのでこの飛行機を 挙げてみました h 22 a の構成と推進役の重量は1 段目の液体ロケット推進役重量100トン
(22:37) 2段目の液体ロケット推進役重量17トン 2期の固体ロケットのブースター水深約 重量130トンとなっていてこれらの推進 役の重量を全て足すとを247豚なので約 40トン破ることの293豚は0.84 さんと算出されます 全体の猛者の84.3%が推進役という ことなんですね こんな感じで液体ロケットはとんでもない 重量割合の燃料を積んでいます このようにロケットはあの小さな衛星や 探査機を打ち上げるため巨大所でをない タンクや大流量を扱うターボポンプ そして長考にさらされ続ける排気ノズル など高度な技術と苦労の塊であることが わかります [音楽] ということで最後までご視聴ありがとう ございました このチャンネルでは今後につながる動画の ネタも募集しています 何かリクエストがあればコメント欄にお 願いしますそれではバイバイ
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