ロケッツとクリス・ハドフィールドの連携

物体を宇宙に送るには、基本的に次のものが必要です: 燃焼する燃料と酸素、操縦するための空気力学的な表面とジンバルエンジン、そして十分な推力を提供するために高温のものが出てくる場所です。シンプル。

燃料と酸素はロケット モーターの内部で混合されて点火され、爆発して燃焼した混合物が膨張してロケットの背面から流出し、ロケットを前進させるために必要な推力を生み出します。大気中で作動し、空気を取り入れて燃料と結合して燃焼反応を起こす飛行機のエンジンとは対照的に、ロケットは酸素のない空虚な空間で作動できる必要があります。したがって、ロケットは燃料だけでなく、それ自体の酸素供給も運ぶ必要があります。発射台のロケットを見ると、ほとんどの場合、宇宙に行くために必要な推進剤タンク (燃料と酸素) が見えます。

撮影監督とは

大気圏では、飛行機のように、空気力学的なフィンがロケットの操縦に役立ちます。しかし、大気圏外では、真空の宇宙空間でフィンが押すものは何もありません。そのため、ロケットは、ジンバル エンジン (ロボットのピボットでスイングできるエンジン) を使用して操縦します。ほうきを手に持ってバランスをとるようなものです。これの別名は、ベクトル化された推力です。

ロケットは通常、ロシアの数学教師であるコンスタンチン・ツィオルコフスキーとアメリカのエンジニア/物理学者であるロバート・ゴダードによって開発されたコンセプトで、別々の積み上げられたセクション、つまりステージで組み立てられます。ロケット ステージの背後にある動作原理は、大気圏上空に到達するには一定量の推力が必要であり、その後、地球の周回軌道に留まるのに十分な速度 (軌道速度、毎秒約 5 マイル) まで加速するためにさらに推力が必要だということです。ロケットは、空の推進剤タンクや初期段階のロケットの余分な重量を運ぶことなく、その軌道速度に到達するのが簡単です。そのため、ロケットの各ステージの燃料/酸素が使い果たされると、そのステージを放棄し、地球に落下します。

第 1 段階は、主に宇宙船を大部分の空中から 150,000 フィート以上の高さに到達させるために使用されます。次に、第 2 段階で宇宙船を軌道速度にします。サターン V の場合、宇宙飛行士が月に到達できるようにする第 3 段階がありました。この第 3 段階は、地球の周りの正しい軌道を確立するために停止および開始できなければなりませんでした。その後、数時間後にすべてがチェックされた後、私たちを月に押し上げます。

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• ロケットの空気力学: ロケットの仕組み
• ロケットの基礎物理学
• ロケット構造のコンポーネント
• ロケットの改善
• クリス・ハドフィールドのマスタークラスの詳細

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ロケットの空気力学: ロケットの仕組み

アポロの宇宙飛行士が月面への着陸に使用した月モジュールでさえ、2 段式ロケットでした。月から離陸して帰国したとき、着陸ステージは地上に残されていました。

最初に製造されたロケットは使い捨てで、再利用することは考えていませんでした。スペースシャトルは再利用を想定して設計された最初の宇宙船で、100回の宇宙飛行が可能でした。固体ロケット ブースターでさえ、部分的に再利用可能であり、海に落ちた後に回収し、回収し、清掃して再認証し、その後の打ち上げのために燃料を再充填することができました。今日、企業はさらに多くの再利用可能なロケットを製造しています。 SpaceX は、Falcon ロケットの第 1 段を打ち上げて着陸させることができ、無傷で回収され、再び液体燃料を充填する準備ができています。同様の技術は、Blue Origin でもニュー シェパード ロケットに使用されています。

ロケットを地球から打ち上げるために使用される燃料には、主に固体と液体の 2 種類があります。固体燃料ロケットは、ローマン キャンドルのようにシンプルで信頼性が高く、一度点火すると止まることはありません。燃え尽きるまで燃焼し、推力を制御するために調整することはできません。液体ロケットは生の推力が少ないが、制御可能であり、宇宙飛行士はロケット船の速度を調整したり、推進剤のバルブを開閉してロケットのオンとオフを切り替えることさえできる。

スペースシャトルは、発射に固体ロケットと液体ロケットを組み合わせて使用​​しました。固体ロケット ブースターは、乗組員を空中に運ぶためだけに使用されました。液体燃料ロケットがずっと燃えている間。

ロケットの基礎物理学

ロケット構造の背後にある非常に基本的な原動力は、可変物理学を扱うニュートンの法則です。ロケットは、質量 (燃焼する燃料) を排出しながら空気力学的でなければならないため、作用と反応に関するニュートンの第 3 法則が作用します。ロケットが点火すると、燃料が燃焼して後部排気口から排出され、ロケットが加速し、ますます速度を上げて前進します。これは、ロケットが抗力なしで動作することを前提としています。

ただし、注意事項があります。宇宙を飛行するには、地球の大気圏を通過し、軌道に留まるのに十分な速度になるまで加速する必要があります。これを達成するための主な障害は、大気からの抵抗によって引き起こされる抵抗です。抗力は次の式で決定されます。

D = 12 ρ v 2 C D S

D = ドラッグ。ドラッグは速度を落とす力です。抗力は力であることを覚えておくことが重要です。ドラッグ フォースは宇宙船を押し、宇宙船の設計で十分に考慮されていない場合、宇宙船の速度を低下させたり、船をバラバラにしたりする可能性があります。

ρ = rho、船の周囲の空気の密度 (または厚さ)。
宇宙船が地球から遠ざかり、大気中のより高い位置に移動すると、空気密度が減少し、方程式に従って、抗力が発生します。太陽によって暖まると空気は膨張するため、特定の高度での大気の密度は可変であることに注意してください。暖かい空気は密度が低くなります。そして、宇宙の真空では密度は本質的にゼロであることを覚えておいてください。したがって、（方程式により）そこには実質的に抗力がありません。

v = 速度、または宇宙船の速度。方程式では、ドラッグは速度と速度の積、つまり v の 2 乗の関数であることに注意してください。したがって、速度が上がると、抗力は急速に増加します。速度は 2 倍、抵抗は 4 倍になります。これが、有名な宇宙飛行士のクリス・ハドフィールドが、ロケットで大気中を飛行することが最も難しいと言っている理由です。この段階では、ロケットの速度は空気がまだ厚い場所で継続的に増加します。ただし、大気圏外になると、大気密度がないため、抗力を増やさずに速度を上げることができます。

CD = 抗力係数、車両の流線型と表面粗さの特性。

S = 宇宙船の断面積。より低い領域 (細いロケットと太いロケットのように考えてください) は、抵抗を下げるのに役立ちます。大気抵抗は、地球上空に非常に高いため空気の量がわずかしかない国際宇宙ステーションのような船よりも、まだ大気圏にあり、離れようとしている宇宙船にとってはるかに大きな問題であることが示唆されています。それに対して作用する密度。そのため、ISS は不格好な形状になり、ロケット船は流線型にする必要があります。

抗力の式は、ロケットの設計と飛行戦略において明確な目標を作成します。最も効率的なロケットは面積が小さいだけでなく、大気圏上空で空気密度の低い領域に入ると、できるだけ多くの加速 (軌道速度に対する速度の増加) を行います。

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ロケット構造のコンポーネント

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ロケットは、重量と推力の強烈な力に耐え、可能な限り空力的になるように特別に設計されています。したがって、ほとんどのロケットの構造を標準化した構造システムがいくつかあります。ノーズコーン、フレーム、およびフィンはロケットの形状の骨格の一部であり、多くの場合、熱保護層が適用されたアルミニウムまたはチタンで作られた大きな表面積です。ポンプ、燃料、ノズルは推進システムの一部であり、ロケットが推力を生み出すことを可能にします。

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飛行経路を制御するには、ロケットの飛行方向をある程度調整する必要があります。ボトル ロケットやその他の小さなロケットのようなモデル ロケットは、空中で真っすぐに発射され、好きな場所に戻ってきます。宇宙に向かうロケットには、より多くの制御と柔軟性が必要です。ここで、ジンバルスラストが登場します。 誘導システムの一部として、ジンバル角度により、排気ノズルが必要に応じて回転し、重心がリダイレクトされ、ロケットの位置が変更されます。正しい方向。

ロケットの改善

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宇宙飛行の開始以来、ロケット燃料の基本的な化学的性質にはほとんど変化がありませんでしたが、より燃料効率の高いロケットの設計が進んでいます。ロケットの効率を向上させるためには、ロケットの燃料消費を抑える必要があります。つまり、必要な運動量を与え、同じ推力を得るには、燃料ができるだけ早く後方に出てくる必要があります。磁気加速器を使用してロケット ノズルを介して推進されるイオン化ガスは、従来のロケット燃料よりも大幅に軽量です。イオン化された粒子は、ロケットの後部から信じられないほど高速で押し出され、その小さな重量または質量を補います。イオン推進は長く持続的な推進に適していますが、
それはより低い比推力を生成し、これまでのところ、すでに軌道上にある小型衛星でのみ機能し、大型宇宙船向けには拡大されていません。これを行うには、強力なエネルギー源、おそらく核、またはまだ発明されていない何かが必要になります。

宇宙船は、1960 年代に宇宙旅行を始めて以来、改良されてきましたが、現在の技術の多くは、これらの最初の設計に由来しています。直感的には、宇宙船は高速航空機のようにとがっていなければならないのは理にかなっているように思えます。しかし、1950 年代に行われた研究によると、軌道速度に関しては、その尖った先端の途方もない熱に耐えられるほど頑丈な材料は存在しないことがわかりました。マックス・ファゲットという名の優秀なエンジニアは、大気圏再突入の宇宙船は鈍くして、強烈な熱と圧力を広い領域に分散させる必要があることに気付きました。マーキュリーの設計の鍵を握ったのは彼であり、宇宙カプセルはこうして生まれました。水星とジェミニは基本的に、気圧調整、酸素/CO2 処理、温度制御、食料と水の貯蔵など、乗組員の生存を維持するための機械システムを備えたコックピットを周回していました。彼らは、人間が軌道宇宙飛行が可能であることを証明し、さらなる探査への扉を開き、今日の宇宙探査の位置に私たちを導きました。