月面着陸で知りたいポイント（ペイロード、燃料、酸化剤、周回軌道）

２０２４年、最新の技術を駆使した宇宙探査が進んでいます。無人の宇宙船が、スマートな人工知能（AI）やインターネット・オブ・シングス（IoT）と連携して、月面に着陸するのです。

これらのテクノロジーが活躍するおかげで、人が到達できない場所もくまなく探査でき、宇宙の新たな謎が解き明かされる時代になりました。

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地球表面から月の静止衛星軌道まで３６０００km

ロケットのスピードは４００００km／h　すごいいスピード秒速１１km／ｓで飛んでいくことが

わかりました。これが大気圏を抜けて宇宙に脱出するための必要な推進力なのですね。

月の軌道到達まで凡そ１時間でついてしまいます。

光速は約299,792 km/sですが、これは今の科学では不可能な速度です。

一方、ボイジャー1号は時速約61,000 kmで太陽系を離れています

ボイジャーは、1977年に打ち上げられ、太陽系の外側の領域を探査をしています。

宇宙空間輸送ビジネス

宇宙輸送は、地球上での輸送とは異なり、宇宙のスケールにおいて輸送前後の質量の位置エネルギー差がほぼないほど小さいものです。

地球から宇宙空間への輸送は、まず地球表面から脱出して、その後目的地へ向けて推進されることが一般的です。 例えば、地球の地上から高度約36,000kmの月の静止衛星軌道に人工衛星を送り込むことはその一例です。

将来的には、宇宙ステーションと月面基地を結ぶことも考えられており、これに地球地上から高度約500kmの衛星軌道から、高度約38万kmの月の軌道へ輸送する必要があります。

宇宙ステーションから地球の引力圏を脱するために必要なエネルギーは約29MJ/kgです。

この数値を考慮すると、地上から宇宙ステーションまでの輸送には相当なエネルギーが必要であり、地球を飛び出せば、月を含む地球周辺の宇宙空間は比較的輸送が容易な目的地と言えます。

地球を離れると、重力の影響を受けにくくなり、輸送にかかるエネルギーが大幅に削減されることが理解されています。

政府機関並びに民間から搭載品を運ぶサービスに世界から一歩乗り出した会社が米国の 宇宙空間輸送ビジネスに乗出したインテュイティブ・マシーンズ（英語: Intuitive Machines）社なのです

各国の宇宙船

ロケットの種類とその説明

このテキストは宇宙輸送手段について解説しています。以下に、文中の主なポイントを抜粋して解説します：

1. ロケットの原理と推進剤： ロケットは推進剤を噴出し、その反力を推進力とする原理を用いた宇宙輸送手段です。推進装置は一般に宇宙推進と呼ばれます。
2. 化学ロケットの推進剤： 化学ロケットでは、推進剤が燃料と酸化剤の組み合わせで構成されます。例として挙げられている組み合わせにはケロシン/液体酸素、ヒドラジン/四酸化窒素、液体水素/液体酸素、およびブタジエン系樹脂/過塩素アンモニウムがあります。
3. 比推力の重要性： ロケットの性能を表す指標として比推力が挙げられます。比推力は1kgの質量の推進剤が1kgの推力を何秒間維持できるかを示す量で、液体水素を用いたロケットが高い比推力を持っています。
4. 液体水素の特性と課題： 液体水素は非常に小さな比重を持ち、極低温であるため、システム設計と運用上の課題が他の方式に比べて大きいとされています。そのため、液体水素を使用する際は高比推力の利点を最大限に生かす必要があります。
5. ロケットエンジンと燃焼室圧力： 液体ロケットエンジンは推進剤から推力を得る一種の熱機関であり、燃焼室圧力と外部圧力の比が性能に影響します。外部が真空に近い高度で作動する2、3段目のロケットは大きな圧力比を取ることができますが、1段目のエンジンは大気中で作動するため限定されます。
6. スペースシャトルの例： スペースシャトルの主エンジンでは、燃焼室圧力が200気圧であり、ポンプ吐出圧力はこれよりも100気圧ほど高いとされています。

これらのポイントは、宇宙輸送において重要な技術的な側面や課題について触れています。

液体水素

この文献では、液体ロケットの推進剤として使われる液体水素を例に挙げ、液体ロケットの性能に関連する要素や課題について述べられています。それぞれの要素に対して「利点」と「欠点」が述べられています。

1. 利点（Advantages）:

• 比推力が高い: 液体水素を使用する場合、比推力（質量あたりの推力）が非常に高いです。これは、1kgの液体水素が1kgの推力を400秒から480秒間持続できることを示しています。
• 比推力が高いと、同じ重量の推進剤を使ってもより高い速度や高い高度まで到達できるため、効率的な輸送が可能です。
• 低比重: 液体水素は比重が非常に小さいため、ロケットの搭載物の質量を軽くできます。これは宇宙探査機や人工衛星を軌道に打ち上げる際に有利です。

1. 欠点（Disadvantages）:

• 極低温液体: 液体水素は常圧で20K（摂氏-253度）の極低温液体であるため、取り扱いが複雑です。
• 液体水素を使用する場合、システム設計や地上運用において極低温に対する制約が発生します。
• タンクの大きさ: 液体水素は比重が低いため、同じエネルギーを持つ場合、液体水素を貯蔵するタンクが大きくなる傾向があります。
• これはロケットの設計や運用において制約となります。
• 高燃焼室圧力の課題: 液体水素を1段目に使用する場合、高比推力を生かすためには燃焼室圧力を高くする必要があります。
• これが課題となり、特に地表での作動では大気圧に近い外部圧に対して高い燃焼室圧力を確保するのは難しいことが指摘されています。

このように、利点と欠点は特定の技術や推進剤を使用した際の性能や取り扱いの難易度に関連しています。

酸化剤の役目

酸化剤（酸素化剤）はロケットエンジン内で燃料と反応して酸素を供給する役割を果たします。

ロケットエンジンは通常、燃料と酸化剤の組み合わせによる化学反応を利用して推進力を生み出します。

以下は、酸化剤の主な役割についての説明です。

1. 酸化剤の供給酸素:

• 酸素供給: 燃焼反応においては、酸素が燃料と反応して燃焼が発生します。
• 酸素は空気中にも存在しますが、宇宙空間では十分な酸素が得られないため、酸素供給源が必要です。酸化剤がこの酸素を提供し、燃料との反応によって火炎となり、その反動によって推進力が発生します。

1. 完全な燃焼の確保:

• 反応のバランス: 酸化剤は燃料との反応において化学的なバランスを保つ役割があります。
• 正確な比率で燃料と酸化剤が混合され、燃料が完全に燃焼するように調整されます。
• これにより、燃焼が不完全になることを防ぎ、エンジンの性能を最大限に引き出します。

1. 推進剤の生成:

• 生成物の排出: 燃料と酸化剤が反応すると、新しい物質（燃焼生成物）が生成されます。
• これらの生成物はエンジンから排出され、推進剤としてエンジンを動かす一部となります。

1. 冷却効果:

• 冷却: 燃焼反応は非常に高温で進行しますが、エンジン部品がこの高温に耐えられないため、酸化剤は冷却の効果も持ちます。酸化剤がエンジン内で燃料を包み込むことで、エンジンの冷却が行われます。

酸化剤の種類や特性は使用される燃料や設計によって異なりますが、簡単に言えば、酸化剤はエンジン内での酸素供給と、燃料との反応において安定した効果をもたらす役割を果たします。

燃料と酸化剤

それぞれの燃料と酸化剤の組み合わせには、特定の性質や特徴があります。以下に各組み合わせの長所と短所を簡単に解説します：

1. ケロシン/液体酸素:

• 長所:
  • 比較的安定しており、取り扱いが比較的容易。
  • 推進剤として一般的に使用され、実績があります。
• 短所:
  • 比推力が他の組み合わせに比べてやや低い。
  • 燃焼生成物が多く、エンジンのクリーニングが必要。

1. ヒドラジン/四酸化窒素:

• 長所:
  • 高い比推力を持つ。
  • 着火が容易で、推進剤の貯蔵が安定している。
• 短所:
  • 有毒であり、取り扱いが危険。
  • 長期間の保管が難しく、不安定性がある。

1. 液体水素/液体酸素:

• 長所:
  • 極めて高い比推力を持ち、エネルギー密度が高い。
  • 燃焼生成物が水蒸気となるため、クリーンで環境にやさしい。
• 短所:
  • 液体水素は極低温で液体状態を維持するための設備が必要。
  • タンク容器が大きく、取り扱いが難しい。

1. ブタジエン系樹脂/過塩素アンモニウム:

• 長所:
  • 固体推進剤であり、取り扱いが比較的簡単。
  • 燃焼生成物が比較的クリーン。
• 短所:
  • 比推力が液体推進剤に比べて低い。
  • 燃焼制御が難しく、推進力の変調が難しい。

それぞれの組み合わせは、特定の用途や設計要件に応じて選択されます。安全性、エネルギー密度、取り扱いの容易さなどが設計上の考慮事項となります。

ロケットは燃焼したガスを吐き出して推進する

液体ロケットはロケットエンジンによって推進剤から推力を得ます。

これは通常のエンジンとは異なり、燃焼室内で生じる高温・高圧のガスを使って推進力を発生させます。

通常のエンジンが回転体を動かすのに対して、ロケットエンジンは推進剤の燃焼によって生じるガスを高速で噴射することで前進します。

このエネルギー変換は燃焼室内の圧力と外部の圧力の比に左右されます。

液体ロケットが高度な宇宙で動作する場合、外部の圧力が低くなるため、燃焼室の圧力を大きくしやすくなります。

一方で、1段目のエンジンは地上で動作するため、外部は大気圧中であるため、燃焼室の圧力を上げることが難しいです。

例えば、スペースシャトルの主エンジンでは、1段目のエンジンが地上での作動に適した200気圧の燃焼室圧力を使用しています。

このため、ポンプ吐出圧力もこれより100気圧ほど高い値を持っています。

圧力を上げると、システム全体の重量も増える傾向があります。しかし、宇宙輸送ではシステムの軽量化が重要な要素となります。

特に2、3段に用いられている液体ロケットでは、推進剤を含むタンク、エンジン、および制御装置などのハードウェアの重量が全体の8%から10%程度に抑えられています。

これは、システム全体の軽量化を実現し、効率的な宇宙輸送を可能にするための配慮です。

この割合は鶏卵の殻に相当するほど非常に小さいです。

軽量かつ効率的な構造は、推進剤の効率的な使用とともに、宇宙輸送の成功において重要な役割を果たしています。

電気推進式‐宇宙ステーション用

非化学推進方式の一例として、電気推進があります。以下にその仕組みと特徴を解説します。

電気推進は、通常の化学ロケットとは異なり、推進剤が元々エネルギーを持たず、外部からエネルギーを加えて噴流として推力を得る方式を指します。

これにより比推力が非常に大きくなり、特に長時間の宇宙輸送に適しています。

代表的な電気推進方式の一つは「電子衝撃式イオンエンジン」です。

この方式では、アルゴンや水銀などの推進剤をプラズマ化し、静電界力によってイオンを加速させ、外部に噴出します。また、外部にはイオンビームを中和する装置が配置されています。

電気ロケットの特徴として次の点が挙げられます：

• 利点:
• 比推力が非常に大きい（化学ロケットに比べて10倍～100倍）。
• 高い比推力は、同じ質量の推進剤を使用しても、より大きな推力を発生させることができることを示します。
• これは宇宙輸送や宇宙探査ミッションにおいて、重要な性能指標となります。
• 高い比推力を持つエンジンは、同じ質量の推進剤を使用してより高い速度に加速でき、宇宙船がより効率的に目的地に到達できます。
• イオンエンジンは静止衛星の位置制御などで実用的に使用されており、技術的に完成度が高い。
• 難点:
• 電源装置が重く、推力が小さいため、加速度が限定され、地上からの打ち上げには向かない。
• 現在の宇宙での電力供給が十分でないため、長時間の連続運転が難しい。

電気推進は、将来的には大型の電気ロケットとしてMPD（Magneto Plasma Dynamic）アークジェットが有望視されています。

今後、電力供給技術の向上により、電気推進が宇宙輸送において重要な役割を果たすことが期待されています。

電気推進の特性には、高い比推力がある一方で、現行の技術や市場ニーズに合わない側面もあります。以下にその点について整理します：

1. 電源装置の重さと推力の制約:

• 電気推進は電源装置が比較的重く、推力が小さい傾向があります。
• これは特に地上からの打ち上げには不向きで、大量の貨物や有人宇宙船を運ぶのには化学ロケットが現状では適しています。

1. 電力供給の課題:

• 長時間の運転が必要な宇宙ミッションにおいては、十分な電力供給が難しい場合があります。
• 現行の太陽電池技術やその他の電力供給手段の限界も考慮する必要があります。

1. 宇宙輸送の用途による適性:

• 電気推進は、主に長時間の宇宙ミッションに適しています。
• 静止衛星の位置制御や深宇宙探査機など、一部の用途では効果的です。
• しかし、地球軌道への打ち上げや急速な軌道変更には向いていません。

1. 将来への期待:

• 技術の進化や新たなエネルギー供給手段の開発により、電気推進の制約が克服される可能性があります。
• 特に長期的な宇宙探査や利用において、電気推進がより重要な役割を果たすことが期待されています。

総じて、電気推進は将来の宇宙探査や利用において重要な技術となる可能性がありますが、現時点では特定のユースケースにのみ適しているといえます。

技術の進歩と需要の変化が進む中で、電気推進がますます有益なものとなることが期待されます。

原子力推進

原子力推進は、核分裂反応から得られるエネルギーを利用してロケットを推進する方式です。

1960年代にアメリカを中心に研究が進められ、その中で原子核分裂生成物だけを推進剤として噴出する「純粋な原子核分裂ロケット」と、原子力エネルギーを他の推進剤に変換する方式があります。

特に原子力発電機を動力源とする方法は「原子力電気推進」とも呼ばれます。

しかし、この方式は電気推進の利点と欠点を併せ持っており、実質的には電気推進と見なすこともできます。

太陽エネルギーも電気推進の動力源として利用されています。

有名な原子力ロケットの例としては、固体炉心型原子力ロケットが挙げられます。

この方式では水素を原子炉で加熱し、それをラバールノズルで噴射することで推進力を得ます。

推進剤の温度は炉心の温度を上回ることがないため、小型で軽量かつ急速な始動と停止が可能です。

このシステムは高温ガス冷却炉の一種で、液体水素の代わりに小分子質量の水素を使用します。

米国のNERVAロケットはこの方式で、1970年までに地上試験で性能が確認されました。

NERVAロケットの比推力は約900秒で、化学ロケットの2倍ほどあります。

しかし、推力は電気推進より大きいものの、宇宙飛翔体としての加速度は0.1g程度であり、地上からの打上げには適していませんでした。

NERVAは火星への有人飛行のために提案されましたが、現在もその計画は魅力的なものとされています。

(3) 宇宙用電源:

これまで宇宙で使用されてきた動力は、人工衛星の電源や有人宇宙船の電源など、ほぼすべてが電力でした。

エネルギー源としては化学燃料、放射性同位元素、核分裂、太陽などが利用されています。

これにより、宇宙システムの設計において適したエネルギーの種類とその電力への変換方式を選択することが可能です。

各エネルギー源にはそれぞれの実績と今後の見通しがあります。

3-1 化学エネルギー:

化学エネルギーは、これまで一次電池、二次電池、燃料電池などの形で広く宇宙機器に使用されています。

一部のロケットには、エンジン式の発電装置を補助発電機として備えているものもあります。

特に二次電池の中で、ニッケルカドミウム電池が広く使用され、その技術も確立しています。

しかし、電池は予測不可能な因子を含んでいるため、「電池は生き物」とも言われています。この性能を上回るものとして、ニッケル水素電池が開発され、現在も使用が進んでいます。

(3) 宇宙用電源:

ニッケルカドミウム電池は宇宙でよく使われ、技術も確立していますが、電池の性能には予測不可能な因子が含まれるため、「電池は生き物」であると言われています。

これを上回る性能を持つニッケル水素電池が開発され、宇宙で使用されています。

燃料電池はアメリカの有人宇宙飛行計画で使用され、液体水素と液体酸素を燃料として反応し、生成された水を飲料水として使用しています。

再生式の燃料電池も開発され、二次電池よりもエネルギー密度が高いため、将来の有人宇宙システムには不可欠であると考えられています。

3-2 放射性同位元素および核分裂:

原子力エネルギーは宇宙での使用に適しており、放射性同位元素と核分裂原子炉が利用されています。放射性同位元素はPu-238を使用し、太陽から離れた宇宙ミッションに適しています。

原子炉も利用され、ソ連では熱電発電方式のロマシュカやトパーズが使用され、アメリカもSP100という100kWの原子力宇宙発電システムの開発を再開しています。

太陽エネルギー:

地球周辺の宇宙空間では太陽エネルギーが得られ、人工衛星の主要な動力源は太陽電池です。

太陽電池は光エネルギーを電気に変換し、信頼性が高くなりエネルギー変換効率も向上しています。

将来的には大型の太陽電池が提案され、設計寿命10年の人工衛星でも利用可能です。

太陽エネルギー利用の進展として、太陽熱発電技術が注目されています。

これには昔ながらの外燃機関が利用され、スターリングエンジンやランキンサイクルなどの熱機関サイクルが検討されています。

過去には太陽電池に代わる方法として研究されましたが、太陽電池の軽量化や柔軟な設計に対応できなかったため、実用化されませんでした。

最近では大型宇宙システムや宇宙ステーションの計画が進み、熱機関の得意とする100kW級の需要が出てきています。また、太陽熱発電の採用には太陽指向やエネルギー貯蔵の条件が整ってきています。

宇宙からエネルギー:

人類は宇宙からのエネルギー獲得を模索しています。

1968年、ピーター・E・グレーザーは地球のエネルギー源が約2世紀で枯渇し、太陽エネルギーしか究極的な解決策がないと指摘し、太陽発電衛星(SPS)の提案を行いました。

SPSは直径6kmの太陽電池円板から発電し、電波を使用して地上に送電するもので、アメリカのエネルギー省とNASAが検討しました。しかし、プロジェクトは中止されました。

この概念はエネルギー問題に対する広範な検討が行われた画期的なものでした。

しかし、当時は非現実的と見なされ、環境問題が再浮上するまで注目されませんでした。

地球環境の変化が進む中、宇宙からのエネルギー取得が再び注目されつつあります。

地球の資源限界を乗り越え、スペースコロニーの構築によってエネルギーと鉱物資源を宇宙から供給することで、人類は地球外の可能性を模索しています。