宇宙の世界へようこそ⑧「推進システム」

軌道に乗るということは充分な速度まで何らかの方法で加速させるという意味である。そして宇宙という何もない空間で軌道速度を得る、つまり反作用を得るためには反動質量の全てを内蔵したスラスタが推進システムとして多用されている。

スラスタは推進剤を噴射して「推力」を発生させている。大量の推進剤を速く噴射するほど推力が上昇し、重いロケットを遠くまで飛ばせる。またスラスタにも「比推力」という燃費のような概念がある。定義は「推進剤1kgを消費して推力1kgを発生可能な秒数」なので比推力の単位は秒(sec)である。簡単に、少ない推進剤でより多くの推力を出せるスラスタならば比推力の高いスラスタといえる。またこれらスラスタ自体の性能に加えて、機体や推進剤などの総重量などを加味した性能が「デルタV」である。これは「この宇宙機は最終的にどれだけ加速できるか」という性能を示しており、速度の変化によって軌道を変化させる宇宙機にとって航続距離とも言える非常に重要な性能である。またロケットを多段式にすることでもデルタVは増加ができる。

おおむね推力と比推力はトレードオフの関係にあり、目的に応じた使い分けが必要である。例えばスラスタの推力が重力や空気抵抗より弱いと離陸できないため、天体表面から打ち上げるスラスタは大推力が望ましい。逆に軌道上の人工衛星や惑星探査機などは、比推力の高いスラスタを採用すれば少ない推進剤でも充分なデルタVを確保できる。

また、高推力(低比推力)スラスタは打ち上げウィンドウが広く、同量の推進剤で得られるデルタVが小さいため最終的な航行時間が長くなるが、推進時間が同じなら単位時間あたりのデルタVが大きいため航行時間が短くできる。高比推力(低推力)スラスタは全く逆である。そのため即応性が必要な軍用機、ウィンドウの狭い惑星間サイクラへの乗継ぎ、惑星周辺で運行する噴射時間の短い宇宙機などは高推力スラスタを使い、それ以外は主に比推力の良いスラスタを使うのが適切と言える。

また高推力のスラスタを利用することで、前述したオーベルト効果を得やすくなる。というよりも、オーベルト効果を得られる推進タイミングは非常に短いため、短時間で所要のデルタVを得るには高推力スラスタでないと間に合わないのが理由である。そのため高推力スラスタの場合はホーマン遷移軌道という楕円軌道を経由した遷移を行う。対して電気推進などの高比推力なスラスタは長時間徐々に加速し続けるため、軌道は蚊取り線香のように渦巻き形になっている。

また、燃料(反動質量)を使わない推進システムとしてマスドライバがあるが、これはマスドライバのレールや地面(地球や月)そのものを反動質量として燃料の代わりに後方へ投射しているとも考えられる。

参考資料
・推力(wiki)　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%8E%A8%E5%8A%9B
・推力重量比(wiki)　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%8E%A8%E5%8A%9B%E9%87%8D%E9%87%8F%E6%AF%94
・比推力(wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_impulse
・デルタV(wiki)　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%87%E3%83%AB%E3%82%BFV
・デルタV(英語wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Delta-v
・Delta- v予算(英語wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Delta-v_budget
・多段ロケット(英語wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Multistage_rocket
・えあろすぺーすABC-推力と比推力(pdf)　https://www.jstage.jst.go.jp/article/kjsass/53/619/53_256/_pdf/-char/en
・Kerbal Space Program入門その11 比推力, TWR, デルタV　https://www.kproplab.org/ksp/kspguide/part11/
・比推力とは？エンジンの性能を決める「推力」と「比推力」　http://spacedebrer.blog.jp/archives/11168586.html
・ロケット(wiki)　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AD%E3%82%B1%E3%83%83%E3%83%88#%E5%A4%9A%E6%AE%B5%E5%BC%8F%E3%83%AD%E3%82%B1%E3%83%83%E3%83%88
・ロケット(英語wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket#Delta-v_(rocket_equation)
・ツィオルコフスキーロケット方程式(英語wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Tsiolkovsky_rocket_equation
・重力損失(英語wiki)　https://en.wikipedia.org/wiki/Gravity_loss