液体推進剤について詳しく解説

導入

宇宙飛行において、液体推進剤は、分解または燃焼によってガス混合物を生成し、ノズルを通した膨張により推力を提供する、液体状態で保存された 1 つ以上の推進剤で構成される化学システムです。このような推進剤は、非常に高い速度に達することはできませんが、重力に打ち勝ってペイロードを軌道に乗せるのに必要な時間に十分な推力を提供します。したがって、それらは、発射装置が離陸し、宇宙で操縦するために必要な推進力を提供するために一般的に使用されます。

ロシアのプロトンランチャー、NTO/UDMH による。

推進剤を特徴付ける量

これらの量は「ロケットエンジン」の記事で紹介されています。

特定の衝動

I _spと表記され、秒単位で測定される比推力は、1キログラムの推進剤の質量が 1 キログラム力、つまり9.80665 Nの推力を提供できる持続時間を示します。

$$ {F_{prop}=g_0\cdot\dot{m}\cdot I_{sp}\,} $$

したがって、

$$ {I_{sp}=\frac{F_{prop}}{g_0\cdot\dot{m}}} $$

と：

I _sp秒単位で表現される特定の衝動
F _prop推進剤の推力 (ニュートン単位で測定)
g ₀赤道における重力加速度、または9.80665 m/s ²
$$ {\dot{m}\,} $$
排気ガス排出の質量流量、キログラム/秒で測定

この式は、推力が等しい場合、質量流量が低いほど比推力が高くなるということを強調しています。これは、燃焼生成物のモル質量が低い推進剤が優先されることを意味します。

比推力は推進剤の絶対量ではなく、ロケットエンジンの性能、特に燃焼室内で到達する圧力に依存し、システムの性能に 10 ～ 15% 影響を与える可能性があります。また、ノズル内の排気ガスの膨張にも依存します。ノズルの形状は推力を最大化するために最適でなければなりません。したがって、ロケットの外側の圧力にも依存します。比推力は空の状態で最大になりますが、ほぼゼロになります。海面離陸時は15%低くなります。

文献では、特定の力積値は真空中および理想的な熱力学的条件下で与えられているため、実際の値は一般に 5 ～ 10%低い上限となります。

排気ガス排出速度

推力と質量流量の比は排気ガス排出速度に等しいため、次の式に従って、推進剤の比推力は毎秒メートルで表される排気速度によって表すこともできます。

$$ {v_{e}=\frac{F_{prop}}{\dot{m}}=g_0\cdot I_{sp}\,} $$

と：

v _e排気ガス排出速度 (m/s 単位)
g ₀赤道における重力加速度、または9.80665 m/s ²
I _sp秒単位で測定される比推力

推進剤の質量分率、デルタ V、パルス密度

質量分率

推進剤の質量分率は、発射装置の最終質量 (推進剤の燃焼後) とその初期質量 (推進剤が燃焼する前の状態) の比と呼ばれます。

$$ {f_\mathrm{mass}\ =\ 1-\frac{m_\mathrm{prop}}{M_\mathrm{0}}} $$

と：

f_質量消費された推進剤の質量分率 (kg で表す)
m _prop消費された推進剤の質量 (kg 単位で測定)
M ₀宇宙船の初期質量 (推進剤が消費された状態) (kg 単位で測定)

これは、発射装置の設計と使用される推進剤の密度の両方に依存する量です。

デルタv

さらに、「デルタv 」は、一般に、所定量の推進剤の燃焼によって宇宙船に与えられる追加の速度と呼ばれます。重力場と摩擦が存在しない場合、ツィオルコウスキー方程式により、推進剤の質量分率からデルタ V を単純に表すことができます。

$$ {\Delta{v}=v_{e}\cdot\ln\left[{\frac{M_\mathrm{plein}}{M_\mathrm{vide}}}\right]} $$

と：

Δv m/s で表される宇宙船の速度の変化
_v排気ガス排出速度 (m/s 単位で測定)
M は打ち上げ時の宇宙船の_全質量 (kg 単位で測定)
M は宇宙船の非推進剤質量_{を空にします}(kg 単位で測定)

この式から、デルタv を最大化するには次のことが必要であることが明確にわかります。

排気ガスをできるだけ高い速度 v _eで排出できる推進剤を使用する
M の_フル/ M_の空の比率を最大化します。これは次のことを意味します。

できるだけ軽い宇宙船を作る
できるだけ高密度の推進剤を使用する

したがって、デルタv は、宇宙船の質量と、使用される推進剤の固有の品質 (密度と噴射速度) の両方に依存します。

パルス密度

推進剤の見かけの密度は、その比推力として決定されるデータであるため、推力密度 (または推力密度) を次の 2 つの量の積として定義します。

$$ {I_\mathrm{d}=d_\mathrm{prop}\cdot I_\mathrm{sp}} $$

と：

I _d s・kg/m ³で表される衝撃密度
d _prop推進剤の見掛け密度 (kg/m ^{3 単位}で測定)
I _sp秒単位で測定される比推力

液体推進剤の数値表に示されるのは、トルク ( ve 、 d _prop ) ではなく、トルク ( I _sp 、 I _d ) である場合が_あります。