First_Noelの宇宙工学日記

４．ノズル

話題が転々として取り留めなくなっている感もありますね・・・追々順序立てて行きたいと思います．

今日は「ノズル」についてです．

ノズルは，「熱推進」には欠かせない装置です．
ここで熱推進とは，
http://blogs.yahoo.co.jp/first_noel/25477397.html
の分類に従えば，
・化学推進／液体燃料・固体燃料・ハイブリッド・コールドガスジェット
・電気推進／電熱加速型
・先駆的推進／原子力推進／核分裂型
・先駆的推進／太陽熱推進
・先駆的推進／レーザー推進・マイクロ波推進
が相当します．

つまり，化学反応にしろ，電気で行うにしろ，又は原子力や太陽熱などを使うにしろ，
とにもかくにもそれらの手段によって「推進剤」を「加熱」する推進機です．
推進機の中で，推進剤を加熱する部分を「チェンバ」と呼び，ノズルから見て前にある部分なので，
「プレナム（前室）」とも呼びます．
プレナムで熱せられて熱くなった推進剤は高い「熱エネルギー」を持っていると同時に，
プレナムでの推進剤の流速（運動エネルギー）は，ほとんど０とみなせます．

（熱エネルギーとは，多数の原子・分子の運動エネルギーの激しさを統計的に表現したものです．
　個々の原子・分子はそれぞれ運動エネルギーを持っていますが，多数をみればあっちこっち乱雑に
　飛び交っているので，全体の統計的な運動エネルギーは０とみなします．
　「推進剤の運動エネルギー」と表現するときは，個々の原子・分子の運動エネルギーではなく，
　多数の原子・分子の全体の統計的な運動エネルギーのことで，即ち，推進剤の流速に関係するもの
　であることにご注意下さい．）

この推進剤の熱エネルギーを運動エネルギーに変換する装置が「ノズル」です．

ノズルの形は，推進剤の流速が「亜音速」か「超音速」かで異なります．
ここは熱力学と流体力学が必要な部分ですが，結論だけを言えば，推進剤がノズルを通過するとき，
・亜音速では，下流が窄まる形（先細ノズル）ほど推進剤が加速され，このとき温度は上昇する．
　又は，この部分を加熱すれば，推進剤加速は促進される（限度はある）．
・超音速では，下流が広がる形（末広ノズル）ほど推進剤が加速され，このとき温度は下降する．
　又は，この部分を冷却すれば，推進剤加速は促進される（限度はある）．
となります．流速が亜音速と超音速とでは，様相は逆になるんですね．

「推進剤が加速される」と言うことは，元々何らかの形で存在するエネルギーを，
ノズルによって推進剤の運動エネルギーに変換することを意味します．
この元々のエネルギーが，熱推進では，プレナムでの推進剤の熱エネルギーであって，
だからこそこの方式を「熱推進」と呼ぶ訳です．

過去の偉人はうまいことを考えました．
プレナムで熱い熱い推進剤．流速は殆ど０．
これを超音速に加速して噴出させるにはどうするか？
最初は亜音速だから先細ノズルを使いましょう．音速に達したら，末広ノズルを使いましょう．
だから，プレナムに先細ノズルと末広ノズルを順番に取り付ければ良いではないか，と．
このノズルは，「先細末広ノズル」又は「ラバール・ノズル」と呼ばれます．

ラバール・ノズルの最も断面積の小さい部分を「のど部」又は「スロート部」と呼びます．
この部分で推進剤の流速が音速に達していれば，スロート部より下流の末広部では，
推進剤が超音速に加速されることになります．
その為には，プレナムでの圧力とスロート部での圧力の間に，ある条件が成立せねばなりません．
これを「チョーク条件」と言い，スロート部で推進剤が音速に達することを「チョーク」と言います．

チョーク条件は，プレナムとスロート部との圧力比で表現されます．
（詳しくは，この圧力比と，推進剤の比熱比で表現されます．）
スロート部でチョークするときの最小の圧力比を「臨界圧力比」と呼びます．
例えば，雰囲気の圧力が１気圧の場合，噴射前はスロート部も１気圧ですから，
プレナムでの圧力がおよそ２気圧以上あれば，
ラバール・ノズルでの超音速加速は成立し，ノズルからの噴射は超音速となります．
（実際には，ノズルを出た瞬間に様々な条件が絡んで急激に減速して衝撃波を形成します．
　ロケットやミサイルが飛んで行くとき，排気炎に円錐状の光，又は菱形が幾つも並んで見えるときが
　ありますが，これは排気炎中の衝撃波により形成されます．
　円錐状の光は，スペースシャトルのメインエンジンが点火して両端のブースターが点火するまでの
　間によく見えます．このとき円錐状の光の形が変わりますが，これはエンジンのスロットリングに
　よるもので，排出される推進剤の流速が変化していることによります．）

更に，ノズル出口で推進剤が熱いままだと，それは変換されずに残ってしまって無駄に排出される
熱エネルギーのあることを示しています（凍結流損失）．
ロケットの打ち上げシーンでは，ノズルから排気炎が噴き出しているのが見えますが，
実はそういう風に光（電磁波）を発している時点で，それは損失分なのです．
（この損失には，冷却不足によるものと，化学反応で推進剤に熱エネルギーとならなかったもの，
　プレナム以外で起こった化学反応で放出されるもの，が含まれます．）

従って，プレナムやノズルを設計するときには，
程よく推進剤に熱エネルギーを与え，効率良くそれを推進剤の運動エネルギーに変えることが
求められます．

もし今後，ロケットの打ち上げシーンがありましたら，
ぜひ炎を噴き出しているノズル辺りにも注目してみて下さい．
今後，詳細を述べますが，そこでは効率良く超音速加速を行う為に，「再生冷却」と言う方法が
採用されています．
簡単に言えば，冷たい冷たい液体酸素などを通すパイプ（配管）で末広部を作ってしまうのです．
こうすると，末広部はとても冷たくなり，ここを通過する推進剤はそれにより冷却され，
超音速加速が効率良くなると共に，逆に配管中の液体酸素は残った熱エネルギーを回収するので，
一層効率が良くなる，と言ううまいことが起こります．
が，１０００℃のものと−２００℃のものが隣接する為，設計は非常に難しくなります．

又，Ｈ２Ａなどのエンジンでは，一旦エンジンを停止した後，「再着火」することがあります．
液体酸素・液体水素エンジンでは化学反応で水が生成されますが，
エンジンを停止したときにスロート部から末広部にかけての低温でその水が凍ってしまい，
ノズルを塞ぐ可能性があります．ノズルが塞がれた状態で再着火を行うと，エンジンは爆発します．
ロケットの再着火は，かなり難しい技術なのです．

今日のまとめ．
「『ノズル』とは，推進剤の熱エネルギーを，推進剤の運動エネルギーに変換する装置である．」
「推進剤の熱エネルギーを推進剤の運動エネルギーに変換する推進方式を『熱推進』と言う．」

３．化学推進の場合

それではここで「化学推進」の場合を見てみましょう．

化学推進の代表的なロケットエンジンに，酸素と水素を燃焼させる「酸素水素エンジン」があります．
特に，ロケット内に液体で貯蔵するものを「液酸液水エンジン」と呼びます．
液酸液水エンジンは，現在人類が所有する，もっとも高性能エンジンです．
（例えばより高性能のものには「フッ素水素エンジン」がありますが，非常に危険です．）
（「高性能」と言う意味については，またいずれ説明します．）

ここで，酸素は「酸化剤（oxidizer, oxidant）」，水素は「燃料（Fuel）」と呼ばれます．
酸素の酸化作用によって，水素が燃える為，こう呼ばれます．
「燃える」とは「燃焼」のことで，
「燃焼」とは分子の結合状態が入れ替わって光や熱を発する化学反応を言います．

酸素分子は，酸素原子が２個結合したものです．
水素分子は，水素原子が２個結合したものです．
これらが化学反応を起こすとそれぞれの分子の原子が一旦バラバラになった後，
再び原子同士が結合します．
このとき，酸素と水素が最適な状態で混合して燃焼したならば，
化学反応の結果，酸素原子１個と水素原子２個が結合した水分子が生成されます．

これを化学反応式で記述すると，次のようになります．
２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
つまり，２個の水素分子と１個の酸素分子とが燃焼して，２個の水分子に変化します．

ところで，複数の原子が結合して分子を形成するときは，あるエネルギー状態に落ち着いています．

＃詳しくは，原子内の正電荷である原子核と負電荷である電子雲の形成する電気的なエネルギー状態
　（クーロンポテンシャル）に収まっています．
　その為，ひとつの分子は，ある基準に対して，ある程度エネルギーを持ったものになっています．
　これを「化学エネルギー」（又は「化学ポテンシャル」）と呼びます．

さて，先の化学反応（２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ）を見てみると，実は，
「２個の水素分子の化学エネルギーと１個の酸素原子の化学エネルギーの総和」
は，
「２個の水分子の化学エネルギー」
よりも高い状態になっているのです．すると，この化学反応の左辺と右辺とでは，
原子数では釣り合いが取れていますが，エネルギー的にはアンバランスになっていて，
水分子２個が出来たときには，エネルギーが余っていることになります．
その余剰となったエネルギーは，「光」と「熱」となって，分子の外，即ち外界に出て来ます．
「燃焼」があると「炎」が見えたり，ドカンと「音」が響いたりするのは，この為です．

＃詳しくは，まず余剰のエネルギーは「電磁波」として放出されます．
　その一部は外界に出ますが，一部は分子に再吸収されて分子の内部状態や運動を変化させます．
　その後，多数の分子同士が衝突することで，多数の分子全体の運動が激しくなります．
　分子の運動が激しくなると言うことは，その分子の集合の「温度」が上昇するのと同義です．
　この分子集合の運動が，外界には「熱」として観測されることになります．

その結果，この化学反応が終了したとき，そこには，
「大きな運動エネルギーを持った多数の水分子」＝「高温の水分子」が存在します．
つまり，「化学エネルギー」が「熱エネルギー」に変換されました．
このように「化学反応」を起こすことで「化学エネルギー」を取り出し，それを利用する推進方式を
「化学推進」と呼びます．

ここまででは，まだ単に熱エネルギーしか手元にありません．
推進機を成立する為には，この熱エネルギーを更に推進力に変換する必要があります．

熱エネルギーから推進力を得る為には，「ノズル」が用いられます．
ノズルとは，「熱エネルギーを運動エネルギーに変換するエネルギー変換装置」のことで，
ロケットの最下部で炎を噴き出している様子を見たことある人も多いことでしょう．
ノズルの入口に高温のガスを入れると，ノズルを通過する間にガスの温度は冷え，
その代わりにガスの流速が加速されます．
つまり，「熱エネルギー」が「ガスの運動エネルギー」に変換されました．
そして高速のガスはノズルから噴射され，その反動でロケットは噴射と逆向きに推進力を得ます．
このようにノズルによって「熱エネルギー」を「運動エネルギー」に変換することを，
まとめて「熱推進」と呼びます．

以上をまとめると，次のようになります．

・化学推進のエネルギーの根源の形態は何か？
　→化学的な分子の結合エネルギー，即ち「化学エネルギー」．

・これをどうやって（使える状態として）発生させるか？
　→分子の結合の状態を変化させる．
　　変化前の化学エネルギーの方が変化後よりも高いので，この変化によって，
　　分子内に閉じ込められていたエネルギーの一部が外界に出て来る．

・どのような方式でエネルギー変換を行うか？
　→「燃焼」によって「化学エネルギー」を「熱エネルギー」に変換する．

・どんな形態で推進機に入力するか？
　→熱エネルギーとして推進機に入力される．
　　「ノズル」によって「熱エネルギー」が「運動エネルギー」に変換されて推進力を得る．

２．推進系の分類

前節では，推進機とは「エネルギー変換装置」の一種だと述べました．
それでは，ここで変換して利用する元々のエネルギーとは一体何でしょうか？
実は，
・このエネルギーの根源の形態は何か？
・これをどうやって発生させるか？
・どのような方式でエネルギー変換を行うか？
・どんな形態で推進機に入力するか？
によって，推進系は一例として，図のように分類されます．
＃「推進系」とは，「推進機」を含み，これを作動させる為に必要なモノの全体のことです．
　例えば，この「モノ」にはタンクやバルブ，流量調整器，点火装置，制御回路，等が該当します．

推進系は大きく分けると，「化学推進」と「非化学推進」に二分されます．
＃更に，「非科学推進」と呼ばれるものもあります．
　根拠も突拍子も無い方法や，信じている人にしか見えない／利用出来ない，等，
　「科学」と言う思考方法に相容れないものを，冗談っぽくこう総称する人もいます．
　但し，これは「実現不可能」を意味するものでは決してありません．

「化学推進」とは，「化学エネルギー」を利用する推進方式のことです．
化学エネルギーとは，狭義的には化学反応で解放される，原子・分子の「結合エネルギー」を
意味しています．
＃広義には，原子・分子の運動エネルギー等，結合エネルギー以外のものも含めることにします．
　又，通常の化学反応では取り出せない原子核内の結合エネルギーは含めません．

これに対して「非化学推進」とは，化学エネルギーを利用しない推進方式の総称です．
これには，電気エネルギーを利用して推進力を得る「電気推進」や，
原子核内の結合エネルギーを利用する「原子力推進」，
太陽光やレーザー光などを用いるもの，等があります．
現状では実用化されていないのですが，将来には有効に利用可能だと考えられているものをまとめて
「先駆的推進」とも呼びます（これは上記の分類方法とは意味合いを異にする呼称ではあります．）

ここで「反重力推進・ワープ航法」も入れてありますが，世の中にはちゃんと科学的思考法に則って
これを研究している人も僅かですがいます．
彼らはよくある似非化学に陥った人々などではなく，
批判的精神を持ち合わせ，反論に対しては議論し，必要があれば自己修正も行える「科学」のルールに
従って精力的に研究を進めています．

それぞれの推進方式の詳細は，またおいおい書いて行きたいと思いますが，一例を挙げれば・・・

発射台からドドドと轟音を轟かせて離昇するロケットは「化学推進」です．
更に，スペースシャトルのメインエンジンやＨ２Ａロケットは「液体燃料」を用いており，
スペースシャトルのブースターやＭ−Ｖロケットは「固体燃料」を用いています．
又，私も小学生の頃バンバン打ち上げたロケット花火は，固体燃料を用いた化学推進です．

今，小惑星「イトカワ」近傍で探査を続けているISAS/JAXA「はやぶさ」が搭載している
イオンスラスタは「電気推進」の中の「静電加速型」に分類されます．

これらの推進方式は，人工衛星や惑星探査機等の宇宙機がどのようなものかによって，
適宜選ばれます．
大きな推進力が欲しいときは化学推進，微小な力でも効率的に推進力を得るときは電気推進，
と言った具合です．
これらは「推力」や「比推力」等の「推進性能」によって決定付けられますが，
それぞれの推進機は独特の個性的な「推進性能」を呈します．

「推進機のこと」では，これらの「推進性能」を理解して頂いて，
簡単な「推進機の設計」をみなさまに行って頂けることも，ひとつの目標にしたいと思います．

１．推進機とは？（一般的に．．．）

ここではつらつらと推進機，推進系について書いて行きたいと思います．
思い付きですので，順序や系統はテキトーです．
推進機ってオモシロイ！
推進系ってスゴイ！
って思って頂けましたら幸いです．

１．推進機とは？（一般的に．．．）

推進機とは，物凄く一般的に言えば，どんな形態でも良いのである程度のエネルギーを元にして，
それを時間的又は空間的に平均したとき，ある方向に揃った力を発生させる「エネルギー変換器」の
一種と言えます．

エネルギー変換器は，
ａ）ある形態のエネルギーを，別の形態のエネルギーに変換したり
ｂ）又は形態を変えずに「使いやすい」ようにしたり
するもののことです．

エネルギー変換器は私たちの周りにもごろごろ転がっています．
ａ）の例だと，
火力や原子力の発電所では，熱エネルギーから電気エネルギーに変える，
水力発電所では，重力エネルギーを電気エネルギーに変える，
自転車のライトは，自転車の運動エネルギーを電気エネルギーに変える，
ドライヤーは，電気エネルギーから熱エネルギーに変える，
携帯電話のバイブ用モータは，電気エネルギーから運動エネルギーに変える，
などがあります．
ｂ）の例だと，語弊はありますがエイヤ！と言ってしまえば，
ガスの炎の熱エネルギーで水をお湯に変える，
ＡＣアダプタは交流の電気エネルギーを直流の電気エネルギーに変える，
などがあります（「エネルギー変換」と言わず「熱変換」「整流」などと呼ぶのが普通ですが）．

推進機とは，このようにエネルギー変換された結果，何某かのメカニズムによって力が発生し，
その力が時間的又は空間的に分散していても，平均を取ってみるとある方向に偏った力が
現れるように作られたものです．
時間的に平均として・・・とは，ある瞬間瞬間で見れば発生する力は大きかったり小さかったり，
或いはある向きかと思えば次の瞬間には逆向きになるものを，ある一定の時間観測してみると，
どの方向にも公平に力が発生したのではなく，ある特定の向きに特に強く力が発生すれば，
推進機として使える可能性が出て来ます．
空間的に平均して・・・とは，いろんなところからいろんな向きの力が発生していても，
それらの合力を取ってみると，ある特定の向きに特に強く力が発生すれば，推進機として
使える可能性が出て来ます．

ゴム風船を考えてみましょう．

風船に空気をいっぱい入れて，口を離すと，風船の中の空気が勢い良く噴き出して風船が飛びます．
これもエネルギー変換器，ひいては推進機の一種と言えます．
ゴム風船が膨らむと言うことは，ゴムの高分子の形状が伸びると言うことで，
この高分子が風船を膨らませるときにエネルギーを蓄えています．
口を離すと，この分子エネルギー（正確には「分子のポテンシャルエネルギー」）が風船の中の
空気を等方的に圧縮する力として表れながら，圧縮された空気の出口は一箇所しか無いので，
空気の噴出が一方向に揃えられて噴き出すことで，飛ぶ訳です．

このゴム風船に特殊な弁が付いていて，口が開いたり閉じたりするようになっているものを考えると，
ある瞬間には空気は噴き出しておらず，別の瞬間には噴き出している，と言うことが起こるとします．
このとき，暫くの間風船を見ていると，ブッと噴いて動き，そして止まり，また噴いて動き・・・と
なり，結果として元の位置から別の位置へ移動することになります．

以上，物凄く一般的にですが，推進機とは何ぞや？をまとめると，図のようになります．