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僕の宇宙船 打上ロケット

初出:2005年05月16日 元々のブログ・コンテンツへのリンク
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私個人が理想としている「僕の宇宙船」が、ごく小さなカプセル型だと言うことは、前回も書いた。今回は、この小さなカプセル型宇宙船を宇宙に打上げるロケットについて説明しよう。

もちろん、私の場合、「宇宙船」は、宇宙すなわち軌道上を飛ぶ必要がある。先頃、民間初の宇宙旅行で話題になったスペースシップワンのようなサブオービット(弾道飛行)では、僅か数分で地上に落ちてきてしまうので、わたし的には許せない。技術的には何倍も、いや何十倍も難しくなるが、地球を回る周回軌道に乗って、初めて本当に宇宙に行ったと言える。

小さな宇宙船には、小さなロケットが相応しい。イメージ的には、裏庭(バックヤード)から打上られる位に、手軽に打上られるロケットが欲しい。(本当に、住宅街の真ん中から打上げられないことは、前回も書いた通りだが・・)

『手軽に打上られる』と言うと、コストのことが問題になるので、必ず「使い捨て型ロケットより、再使用型の方が経済的では?」と言う議論が出る。だが、私は「使い捨て型ロケットの方が良い」と思って居る。
その理由は、現在、専門家の一致した意見として、
(1) 再使用型打上機が、実用化されるまで、最低20年以上必要。
(2) 実用化できても、100回以上、再使用しないと、効果が無い。
の、2つがあるからだ。
私は、20年も待ちたくは無いし、100回使うまで元が取れないのも嫌だ。(仮に週一回は宇宙に行くとして2年間、一カ月に一回で8年間も必要。だいたい、現状の宇宙飛行士なら、3回も宇宙に行ったら、『超ベテラン』だぞ)

では、使い捨て型ロケットで、『小さい』を追求すると、どうなるか?

意外な事に、コンベンショナルな「液体酸素+ケロシン型エンジン」の方が、高性能な「液体酸素+液体水素型エンジン」よりも小型化に向いていることが判った。

一般的には、高性能な「液体酸素+液体水素型エンジン」の方が、燃料消費量が少なく、その結果、ロケット全体を軽量化することができると思われている。

だが、良く考えて欲しい。
「液体酸素+液体水素型エンジン」は「ロケット全体を軽量化する」とは言ったが、「ロケット全体を小型化する」とは、言って居ない。

実は、「液体酸素+液体水素型エンジン」の燃料となる「液体水素」は「比重が軽すぎる」と言う問題を持つ。液体水素の比重は、0.076しかない。一般的に、相当軽いと思えるバルサの中で特に軽いソフトバルサの比重が、0.11だから、それより軽いと言えば、イメージできるだろうか?(発泡スチロールは、液体水素より、さらに軽い)

「液体酸素+ケロシン型エンジン」の燃料のケロシンは、「灯油」つまり油だから、水よりは軽く0.8の比重だが、液体水素と比べると10倍以上になる。

もちろん、ケロシンも液体水素も、比重が1.14もある液体酸素と燃焼させるのだから、酸素の比重も考慮すると、実質上の比重の差は縮まる。だが、それを考慮しても、約2.7倍になる。
つまり、同じ質量の燃料を入るタンクの容積は、「液体酸素+液体水素」は「液体酸素+ケロシン」の2.7倍も必要なのだ。ここまで、違うとタンク殻の質量も大きく違ってくる。

周回軌道への打上げ用のロケットの場合、総質量の8割から9割は燃料だから、その影響は大きい。

同じ大きさ・重さの宇宙船を、高度200キロ程度の円軌道に投入するロケットを、ざっと計算すると、
・「総質量」は「液体酸素+液体水素型」の方が軽い。
・「寸法」「容量」は「液体酸素+ケロシン型」の方が小さい。
と言う結果になる。

その上、
・「燃料質量」は「液体酸素+液体水素型」の方が軽い。
・「燃料を除いた質量」は「液体酸素+ケロシン型」の方が軽い。
となる。

当たり前だが、「燃料を除いた質量」は、タンクとかエンジンの質量等の合計だ。だから単位質量当たりのコストは、燃料よりも高い。そもそも、「液体酸素+液体水素型エンジン」は技術的にも高度で、コストも「液体酸素+ケロシン型エンジン」より、ずっと高い。
だから、ドライ・ウエイト(燃料の無い状態)で比較するなら、「液体酸素+ケロシン型」の方が、質量的にも寸法的にもコスト的にも、小型軽量・低コストになるのである。

燃料を含めると「液体酸素+ケロシン型」の方が重くなるが、燃料自体は、そんなに高い物ではない。自動車用のガソリンと、そんなに変わらないので、仮に1リッター百円とすると、10トンの燃料なら100万円、100トンなら1000万円になる。

結局、小型で低コストを追求すると、「液体酸素+ケロシン型」の方が向いて居る事になる。

とまあ、こんな検討結果をイメージしたのが、イラストの打上げロケットだ。
可愛く見えるように、タマゴ型のスタイルにしてみた。普通、打上げロケットは、空気抵抗を気にして、できるだけ細くするのだが、そうするとミサイルのようになり、可愛くなくなる。
今回は、玩具っぽく太めにしたら、細くした場合よりも燃料が50%も余計に必要だった(普通、燃料よりも「可愛さ」を優先する奴は居ない)。でも、コロコロして、小さくて可愛くなった。高さ的には、一般的な二階建ての家と同じくらいで、太さは普通乗用車の全長くらいだ。(一般の打上げロケットは、10階〜15階のビル並みの高さがある)

こんな可愛いロケットでも宇宙に行ける。少なくとも計算上は問題ない。

ただ、こんなイメージを見せたら、コメントを受けた。
「どうやって、工場から運ぶの? 道路交通法で、幅2.5メートル以上の物は、一般道では運べないよ。」

なるほど、そこまでは、考えてなかった。
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