推進力の完成: 人類を火星に到達させる方法

NASA のパーサヴィアランス、UAE のホープ、中国の天文 1 号など、最近の火星探査はすべて大成功を収めているため、火星に行くのは簡単だと考えるのも無理はありません。 しかし、探査車や周回船を火星に送ることと、そこに人類を駐留させるために必要なインフラや技術を送ることの間には大きな違いがあります。

化学推進力は私たちを太陽系に連れて行ったかもしれませんが、人類の次の段階のために 宇宙探査には、これまで使用してきた推進技術を補う新しい推進技術が必要になります。 過去50年間。 火星への有人探検隊の推進力がどのようなものになるのかについて詳しく知るために、私たちは米国大学准教授のカリーム・アーメッド氏に話を聞きました。 セントラルフロリダ大学機械航空宇宙工学科卒業、最先端ロケット推進の専門家 システム。

この記事はの一部です 火星上の生命、人類の火星占領を可能にする最先端の科学技術を探求する 10 部構成のシリーズ

古くから信頼できる: 私たちが現在使用している化学推進システム

ロケットを地球の大気圏を突き抜けて宇宙へ飛ばすには、大きな推力が必要です。 地球の大気からの摩擦だけでなく、物体を地面に引き戻す大きな重力にも対抗する必要があります。

1950 年代以来、私たちは化学推進と呼ばれる同じ基本原理をロケットの動力に使用してきました。 基本的に、推進剤 (燃料と酸化剤の混合物) に点火し、熱を発生させます。 この熱によりロケット内の物質が膨張し、ロケットの後部から押し出されます。 この推進剤の噴出により推力が発生し、ロケットを大きな力で上方に押し上げます。 この力により、重力の影響を克服し、地球を超えた宇宙に逃げることができます。

「化学ベースの推進は、非常に速い速度で推進剤に熱を加えているだけです。 この推進剤は、非常に高温になると非常に高速で膨張します」とアーメッド氏は説明した。 「その速度は、投入する熱量の関数です。 したがって、爆発が起こったとき、大量のガスが高速で移動していると考えてください。 そしてそれが速度なのです。」

これは、検討されている他のタイプの推進に比べて、化学推進が持つ大きな利点です: 速度。 化学推進はロケットを非常に速く飛行させるのに役立ちます。 しかし、それが常に最も効率的な選択肢であるとは限りません。

「プリウスとコルベットのようなものだと考えてください」とアーメッド氏は語った。 「A 地点から B 地点まで高速で移動したい場合、化学ベースの推進力に勝るものはありません。」 ただし、より効率を高めたい場合には、他の推進システムが役に立ちます。 「地点 A から地点 B まで、適度な速度で高効率で移動しようとしている場合、化学ベースの推進は適切なツールではない可能性があります。」

化学推進システムの改善

化学推進の原理は過去数十年間変わっていないかもしれないが、 さまざまなタイプの研究など、テクノロジーの改善が行われていないという意味ではありません。 燃料の。

燃料の種類の効率は、エネルギー密度、つまり一定量の燃料でどれだけのエネルギーを貯蔵できるかによって決まります。 水素のようなものは、化学反応で多くの熱を放出しますが、非常に軽く密度が低いため、燃料として使用するのが難しいのはこのためです。 小さなスペースに大量の水素を貯蔵するのは難しいため、燃料としてはあまり効率的ではありません。

現在のロケットはほとんどの場合、ケロシンベースの燃料（基本的にはジェット燃料と同じもの）を使用していますが、現在大きな関心が集まっているのは、メタンまたは天然ガスベースの燃料です。 この燃料は推進剤として必ずしも有効であるとは限りませんが、天然ガスは豊富にあり、それを収集する技術がすでに整っているため、かなり安価になるでしょう。

「スペースX社がファルコン9の飛行に天然ガスを利用できれば、多額の節約ができ、宇宙探査が加速するだろう」とアーメド氏は一例として述べた。 「外周軌道に乗り出すコストを削減できれば、宇宙へのアクセスがさらに容易になります。」

もう一つの研究分野は、エンジン自体の改良です。 アーメド氏のチームは、従来のエンジンと比較して少ない燃料でより多くの電力を生成できる回転爆発ロケットエンジンと呼ばれるシステムに取り組んでいるいくつかのグループのうちの1つです。

エンジンに供給される水素と酸素の量を注意深く制御することで、より効果的に圧力を発生させることができます。 これにより、非常に強力なコンプレッサーが不要になり、ロケット エンジンのサイズを縮小でき、燃料の使用効率も向上します。 この技術は間もなく使用可能になる方向に進んでおり、アーメド氏によると、米空軍は2025年までにそのようなエンジンをテストする予定だという。

化学推進が進まない理由

地球から離陸するには、化学ベースの推進力が不可欠です。 「地上からは化学ベースの推進力が重要になります。なぜなら、その重量を地上から高高度まで押し上げるには、それだけの電力が必要だからです。 重力を克服するためです」とアーメッド氏は説明した。

彼はSpaceXの例を持ち出した。 同社がロケットを打ち上げるとき、なぜテスラが使用しているような電気システムを使用しないのでしょうか? この2社は同じイーロン・マスク氏が所有しているので、技術を共有できるのは間違いない。 しかし、電気推進システムはロケットを地面から離陸させるのに必要な量の推力を生成できません。単に十分な電力を生成できないだけです。

したがって、私たちは当面、ロケットの打ち上げに化学推進を使用し続ける必要があるでしょう。 しかし、ロケットが軌道に乗ると状況は変わります。 地球の重力を克服して宇宙に出ると、クルーズコントロールを使用しているようなものになります。 空気摩擦や下向きの重力に対処する必要がないため、宇宙で宇宙船を制御するのに必要な推力は比較的少なくて済みます。 近くの惑星や衛星からの重力を利用することもできます。

したがって、別の推進システムがより効率的な運用を引き継ぐことができます。

より効率的なオプション: 電気推進

ロケットが軌道に乗ると、多くの場合、軌道を変更する必要があります。つまり、速度を微調整して正しい方向に進んでいることを確認するための小さな調整です。 これには推力システムが必要です。 「乗り物を飛行させ、速度ゼロの状態から抜け出し、乗り上げて運んでいる重量の重力を乗り越えるだけでも、数千ニュートンが必要です。 だからこそ、巨大なロケットシステムが必要なのです。 しかし、外側の軌道では、もう重力の影響を受けることはなく、克服しようとしている終端速度があるだけです」とアーメッド氏は説明した。

そして、宇宙船の進路を調整するために必要な力を生成する方法はたくさんあります。 「推力は推力だ」と彼は言った。 「あなたは質量を注入しています。 質量を捨てているので、反対方向に動きます。 それは質量の量と、その質量をどれだけ早く使い果たすかです。」

小型衛星 (smallsat) でよく使用される技術は、電気推進です。 彼らは電力（多くの場合、ソーラーパネルを使用して収集）を使用してガス推進剤をイオン化します。 このイオン化したガスは、電子場または磁場を使用して衛星の背面から押し出され、宇宙船を動かす推力が発生します。

これは非常に効率的なシステムであり、 燃料を90%削減 化学推進よりも。

「電気推進の場合、質量は非常に小さいので、推力を得るためにそれほど大きな速度は必要ありません」とアーメド氏は言う。 また、電子推進システムは事実上あらゆる物質をイオン化できるため、利用可能なものであれば何でも使用できます。

部屋の中の象: 原子力推進

人々は宇宙での原子力という考えに不快感を抱くことがよくあります。 そして、原子力を使用する場合、特に有人ミッションの場合には、考慮しなければならない安全上の懸念があることは確かです。 しかし、原子力推進は、私たちが遠くの惑星を訪問することを可能にするエースにすぎないかもしれません。

「原子力は実際には非常に効率的です」とアーメド氏は説明した。 原子力推進システムは、熱を発生する原子炉を介して動作し、その熱を利用して推進剤が加熱され、推力を生み出すために放出されます。 この推進剤は、化学ベースの推進剤よりもはるかに効率的に使用されます。

そしてそれは持続可能であり、それが大きな利点です。 「化学ベースのシステムでは、推進剤を燃やして使い果たしますが、もうそれはありません」とアーメッド氏は語った。 「あなたはそのエネルギーを解放し、それを失いました。 核ベースのシステムとは異なり、使用するウランやプルトニウムはそこに存在し、消えることはありません。 炉心を維持するので持続可能です。」

ただし、この反応が持続可能であるとしても、発生する熱は依然として塊の中に誘導される必要があります。 反応に使用されるウランやプルトニウムを使い果たすことは望ましくありません。 役立つのは、加熱される材料は実質的に任意の気体または固体である可能性があることですが、熱によく反応するため気体の方が好ましいです。

宇宙ではガスを使用できないため、ガスを持ち歩く必要があります。 しかし、火星のような大気のある惑星では、理論的には、二酸化炭素などのすぐに入手できるガスを推進剤として使用できます。

NASAは現在、特に火星へのミッションのための原子力推進システムを研究している。 「NASA​​ の目標は、乗組員が地球と火星の間を移動する時間を現実的な限り 2 年近くに短縮することです。 宇宙用原子力推進システムは、ミッションの総時間を短縮し、ミッション設計者の柔軟性と効率性を向上させる可能性があります。」 核システムについて書いた. しかし、まだ明確な決定は下されていない。 「どの推進システムが最初の宇宙飛行士を火星に連れて行くのかを語るのは時期尚早です。それぞれのアプローチには依然として重要な開発が必要です。」

どちらか一方ではありません。 上記のすべてです

私たちはまだ、火星への有人ミッションの初期計画段階にいます。 次のステップを計画する際には、コストなどの要素だけでなく実際的な要件も考慮する必要があります。

アーメド氏は、ある推進システムが他の推進システムよりも大幅に優れていることが証明されるとは考えていません。 その代わりに、特定のミッションのニーズに応じてさまざまなシステムを組み合わせて使用​​することを想定しています。

「3 つのシステムすべてが必要になると思います」と彼は説明しました。 「すべてのミッションに適合する完璧な推進システムは存在しません。」 化学推進をあらゆるミッションに使用することは可能ですが、 必ずしも適切なわけではありません。彼はこれを、フェラーリを使って隣の建物に行き、できる限り大量の燃料を無駄にすることに例えました。 歩く。

火星への有人ミッションでは、「核も電気も使わなければならないし、化学物質がなければ逃げられない」と彼は語った。 たとえば、生息地などの貨物を配送するために電気推進システムを使用したり、原子力推進を使用したりすることができます。 地球と火星の間に信頼性の高い中継システムを構築し、化学推進力を使って宇宙飛行士を送り出す システム。 それは、人間は本質的には重いハードウェアだからです。 「私たちの質量は軽くない！」 彼は言った。 「たとえ数人の人員であっても、私たちはかなりの量の集団です。 したがって、化学ベースの推進力が必要です。」

火星への準備はできていますか?

火星への有人ミッションの手配には多くの複雑な点があります。 しかし、推進システムに関して言えば、私たちは明日そこにミッションを送り込むだけの技術を持っています。

「伝統的な 50 年代ベースのロケット モーターが目的地に到達します」とアーメッド氏は言います。 制限要因は、より平凡なものであることが判明しました。 「問題は、どれくらいの費用がかかるかです。」

化学ベースの推進システムを使用してロケットを火星に送るのは、非常に高価です。 そして、火星のさらなる探査に対する一般の人々と学術的な欲求は両方とも存在しますが、そのようなミッションに利用できる資金の量は無限ではありません。 したがって、探査をより手頃な価格にするために、電気推進システムや原子力推進システムなどの技術を開発して活用する必要があります。

化学ベースの推進の分野でも、回転爆轟エンジンや新しい燃料などの技術の開発はコストの削減に役立ち、より多くの探査を促進するでしょう。 「課題は、現在のロケットシステムよりも経済的なエンジニアリングシステムを開発することです」と彼は言いました。 「50年代のテクノロジーなら問題なく火星に行けるでしょう。 それはただ超、超高価です。 そして、誰もそれにお金を払いたくないだろう。 しかし、テクノロジーは存在します。」

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