ロケットの作り方 第4弾( ロケット燃料を詰め込んだ モータとは)
”モーター”という言葉を聞くと、ダイソン掃除機の”モーター”や東京”モーター”ショーのモーターとか浮かぶかもしれません。
(JAXAさんより引用)
ロケットで”モーター”というと固体ロケットを動かす動力源になります。
2つの液体を合わせて燃やす液体ロケットは一般的には”エンジン”という呼び方をします。
固体ロケットはその名前の通り、固体の火薬を燃やした熱が爆発的に気体:ガスとなり、そのガスの爆発的な圧力がロケットを地球からときはなつ推進力となります。
そんな、爆発的な力を発生させるところ”モーターケース”は熱にも圧力にも耐えうる強さを持ったものを作らなければなりません。
(具体的な作り方)
火薬を入れる”モータケース”は最近はだいたいが”繊維(せんい)やゴム”から作れています。
まず、火薬が入る部分の形取った型があります。
それに数ミリ程度の薄いゴムを何層か巻いていきます。
なぜゴムを巻くかは後程お話しします。
ゴムは巻いただけだと、それぞれが一体とならないので、大きな炉に入れ、熱と圧力をかけて固めます。
ゴムは固めただけだとデコボコしているので均一な厚さとなるように少し削ります。
”なぜ、デコボコのままではいけないか?”
ゴムの上にはこれから解説するように繊維を巻いていきます。デコボコだったら
その繊維が波うってしまいます。波うってしまうときれいにならべることで強さがでる
繊維がバラバラになり強さがでなくなってしまうからです。できあがったものはその強さを検査するために、中に水をいれて水圧をかけて検査します。その時に、水が漏れたら大変ですね。ロケットとしては使えないものになってしまいます。
次に巻くのは”樹脂を染み込ませた繊維(せんい)”です。
繊維と言ってもみなさんが抱くイメージの繊維と少し違うかと思います。
(東レさんより引用)
FRP:繊維強化プラスチックというのが正式な言い方なので、線状のプラスチックをイメージしてもらった方が近いかと思います。
そんな繊維を固めたゴムの上にぐるぐる巻きつけていきます。巻きつけ方も強さがしっかり出るように工夫します。斜めに巻くとかです。繊維なので、洋服とかと同じように縦横と編みこむようにしていかないとまんべんなく強くできないのです。
そして何層か巻きつけ、巻きつけが終わったらゴムと同じように
大きな炉に入れて、熱で繊維を固めます。この時は繊維に染み込ませた樹脂が
熱と圧力に反応して、カチカチに固まります。この樹脂と繊維の組み合わせでも
強さやもろさが変わってきます。
最後に他の部分との結合部は、さらなる強さが必要になる箇所なので、ここではアルミなどの軽い金属リングを使うことが多いです。
こちらは繊維と金属リングをボルトなどでつなぎます。
これで火薬を入れる筒”モーターケース”は完成します。
他の商品もそうだと思いますが、そこから、このものの強さは規格を満足しているかの
試験や内部に欠陥がないかのX線検査などをして、初めて使っても問題ないことを
認められます。
そのモータケースはその後、中に火薬を入れます。一般にはロケットの”推進薬”と
呼び方をします。
推進薬は爆発的に燃焼しやすいようにアルミ粉末や空気が空気がない状態でも燃焼するように酸化剤、そしてそれぞれを混ざるようにするゴム(バインダー:接合剤。※文房具のバインダーと同じ言葉です。)などを混ぜたペースト状のものを詰めていきます。ここでも燃焼時の高圧ガスがしっかりロケットの推進力になるように工夫された形状にペーストを流し込み時間をかけて固めます。
推進薬が固まったら、形状を削って整え、モーターケースが
”モーター”として完成します。
そして再び固まった推進薬が問題ないかを非破壊検査などを通して、確認します。
そこで合格となったらやっと、全てが終わり”モーター”として完成です。
前にでた”なぜゴムを巻きつけるか”ですが、推進薬とモーターケースの間にゴムをいれることによって、モーターケースを推進薬の燃焼の熱から守るためです。
また、ゴムはそれ自身が推進薬が燃焼によって、ゴムも高温で溶けていきますが、
その時ガスを発生します。(ゴムを燃やすと変なけむりがでてくるやつです)
そのガスの発生でさらに溶けることを防ぐ断熱効果もあります。
結構長い道のりを経て、ロケットを動かす推進力となるモーターは作られます。
燃えている時間がたった数分ですが、作る時間は何ヶ月もかかるのです。
(JAXAさんより引用)
モーターはロケット打ち上げで燃えて分離された後は海に落下し、海底で魚の住処となります。
これだけ手間がかかっているので、もちろんコストもかかります。
これからはもっとロケットを安く打ち上げるために、使い捨てでなく再使用かもっとスピーディーにモーター作って安くしなければならないのが宇宙ちゃんねるの宿題でもあります。
またこれからはもっと比推力:重さに対して推力の大きさを大きくしていく、つまり軽いけどロケットを押し上げる力は強い”を目指さないといけません。
ロケットが軽ければそれだけ重い人工衛星を打ち上げられるからです。
そのためには軽くても強い”新材料”の開発もどんどんしていかなくてはいけません。
そこは以前に記事にも出た”化学(ばけがく)”の力で切り開いていくのです。
今日は大きな流れ星が見えるかも!おうし座北流星群☆彡
今日12日(日)はおうし座北流星群が見頃を迎えます。
おうし座は21時頃から東の空の少し高度がある位置に見えてきます。
ちょうどみなさんが見つけやすい、オリオン座の真上あたりにおうし座があります。
おうし座には明るい1等星でだいだい色の”アルデバラン”(下の画の赤い星)があるので、それを目印に探すと見やすいでう。そのすこし上に流れ星の放射点と呼ばれる、流れ星のスタート位置があります。
このおうし座北流星群は1時間に見える数は少なめで1個から数個と少ないですが、”火球(かきゅう)”と呼ばれるとても明るい流れ星が見れる可能性があります。この流れ星は地球が365日かけて太陽のまわりを一周している軌道上に、太陽を3.3年という短い周期で回っているエンケ彗星の通った軌跡があり、そこにはチリなどが残っています。そのため、地球の大気圏にそのチリが降ってきて大気圏で燃えてなくなる時に明るく輝くのが流れ星☆彡となるのですが、そのチリが大きいと”火球”となるんのです。
(青くかがやくエンケ彗星)
セーラームーンに出てくるセーラー戦士に変身する”火球皇女(かきゅうプリンセス)”
はここからきているのかもしれません。
そして、今回の流れ星は比較的流れる速度が遅いですので、願いを半分くらいまでは
言えるかもしれませんね。
今日は晴れ渡り絶好の流れ星日よりの場所もあると思います。
早めにご飯を済ませて、澄んだ空の中、大きな流れ星を期待して見てみると
この日曜の夜のちょっとした楽しみができればいいですね。
星をみると太陽の最後の姿も見れます
50億年も先のはなしですが、太陽もいずれ終わりをむかえます。
太陽などの光り輝く星″恒星”が光っているのは、星の中心で核融合をおこしているためです。太陽ぐらいの大きさだと、その寿命は約100億年、太陽は約46億年前にできたので、あと50億年くらいなのです。
”太陽の最後”はどう変化していくか。
核融合する主なものは水素なのですが、水素がなくなると水素が反応してつくられた
ヘリウムがたまって中心核になります。その時、中心核は重力で縮んでいきます。
一方その周辺では、残った水素が核融合をおこして、星は膨らんでいきます。
中心部は非常に高温ですが、外側の温度が低いため、このとき、太陽の色は黄色から
赤にかわります。”赤色巨星”と呼ばれています。
その太陽の最後のほうの姿が、空を見上げたときにみることができます。
一番わかりやすいのはオリオン座のべテルギウスです。オリオン座の左上にある
1等星の赤く輝く星です。冬の空では簡単に見つけることができますので
みてみると赤くきれいに輝いていることがわかると思います。
その大きさは巨星というだけあって、仮にベテルギウスが太陽の位置にあった場合、
木星の軌道までの大きさとなります。想像を超える大きさですね。
そして、その状態が数億年続きます。赤色巨星は、非常に大きくなっていますから
その外側では重力がよわくなり、表面のガスがすこしずつ宇宙空間になられていきます。
最終的には白く小さな核の部分だけが残ります。この状態が白色矮星です
白色矮星ははじめのうちは核融合のなごりで熱をもち、白く輝きます。
白色矮星ではおおいぬ座のシリウスBという星があります。さっきのオリオン座の三ツ星を延長してたどっていくととても明るい白い星があります。これがシリウスAです。その横で蒼く光っているのがシリウスBです。
その横に距離は地球からは8.6光年。”シリウス”の言葉の由来はギリシャ語で”光かがやくもの”です。昔の人にも今と同じようにとても輝いて見えていたんだということですね。
白色矮星は次第にその光はよわくなり、そして輝きを失い、”黒色矮星”になると考えられています。
”考えられています”と書いたのはまだ、黒色矮星になった白色矮星がないためです。
白色矮星でいる期間が1000億年ほどあると計算されていて、宇宙の誕生が
138億年前ですから、時がたっていないのです。
その時、地球は?
まず、太陽が赤色巨星になったとき太陽は膨張していくので、太陽に飲み込まれるというのが有力です。もし飲み込まれなかったとしても、赤色巨星の熱で生命はいきていけなくなります。
それもなんとかクリアした場合、地球はどうなるか?
太陽は小さな白色矮星になるので、太陽からのエネルギーが地球にまったく来なくなり
地球は永遠に冬の状態が続きます。そうすると、植物はすべて死滅してしまいます。
連鎖的に草食動物も死に絶え、肉食動物も死に絶えます。永遠の冬では地表がマイナス200℃になるといわれているので、人間も地下に隠れないと死んでいまいますね。
電力は石油や原子力などで少しの間はエネルギーを確保できますが、そのうち尽きてしまいますね。
ただ、灼熱の時期が来る前、永遠の冬がくるその前に人間は他の星に移住できるようになっているだろうし、地球の資源がつきても他の星にある無尽蔵の資源をエネルギーに変換しているのだろうと思います。
(スペースコロニー)
もし、人類が50億年後も地球にいたらそうやって生き延びていくんだろうと。なにせ、人類は単細胞からここまで進化しているので、これからも進化、進歩しつづけていくものなんだと思います。
日本の人工衛星たち
明日10/10の朝はH2Aロケットで準天頂衛星”みちび4号機”が打ち上げ予定です。
この”みちびき4号機”は測位衛星とよばれるもので、世の中でも有名なアメリカでつくられたGPS:Global Positioning System (グローバルポジショニングシステム)の日本版を目指しているものです。ちなみにこの4機のみちびきで一旦GPSの体制は完成します。
(みちびき4号機)
ここで、人工衛星で間違いなく人間の生活にやくだっていると思うけど、具体的にどうやくだっているの?というのを整理してみたいと思います。宇宙ちゃんねるも人工衛星を上げる側なので、さまざま人工衛星ががあると正しく理解していないこともあると思うので。
人工衛星には技術開発/試験衛星、科学衛星、通信/放送衛星、気象/地球観測衛星、測位衛星、宇宙実験衛星にカテゴリー分けされます。
”技術開発/試験衛星”
人工衛星新しい技術を確認するための人工衛星です。いまでは当たり前のように
人工衛星についている太陽電池パネルもはじめは技術衛星で打上げでその有効性を
確認していました。
最近では通信衛星の高速大容量化の需要に対応できる大電力、大容量の技術試験衛星の開発がすすめられていて2021年の打ち上げを予定しています。通信衛星はCommuications Satelite :コミニュケーションサテライト、略してCSです。あの衛星放送のCSです。これからより、世界各国との番組とのやりとりは増えてきそうですよね。
なので、大容量化が必要なわけですね。
(技術試験衛星)
また、2010年には 小型ソーラー電力セイル実証機 ”IKAROS(イカロス)”が
打ち上げられています。目的は太陽の光をセイル:帆でうけて進むことを実証し、
セイルに貼り付けた薄膜太陽電池で太陽光発電の実証も行いました。この方式だと
衛星を動かすためのエネルギーは太陽光ですので、燃料が不要というところが画期的です。遠い宇宙では燃料の問題は必ずあるので、永久的につかえる太陽を含めた恒星の
光のエネルギーを使うことができるのです。
ちなみにこのソーラーセイルの推進する原理は”太陽の光子”がセイルに当たって反射するときに生じる反作用にとって動くのです。
(イカロス)
(出典:JAXA)
IKAROSをうちあげているのはISAS:宇宙科学研究所で今はJAXA:宇宙航空開発機構と統合されましたが、未来につながるおもしろい&わくわくする衛星をうちあげるのは
ISASなんですね。
次回は他の種類で未来を役立つ、世の中に役立つ衛星について書いていきたいと思います。
宇宙のふしぎ 宇宙は無重力じゃない↺
宇宙に行くと無重力体験ができる!よく、宇宙の映像で映し出される
宇宙船の中でふわふわ浮いている映像です。
そう、確かに宇宙に行くと”無重力体験”はできます。
しかし、宇宙は”無重力”ではないのです。
そのしくみは・・・・
その”無重力の空間”はハンマー投げの選手がぶんぶん振り回すハンマーと同じ。
ハンマー投げの選手は
こんな感じで自分も回転しながらハンマーをぐるぐる回していますね。
(ここはやっぱり室伏さん)
その時、ハンマーにはこんな力が掛かっています。
回転運動をしているハンマー投げの選手はハンマーをまわしている時、強烈にハンマーに引っ張られますね。でも、選手はその力に負けないないように踏ん張り、ぶんぶんとハンマーをまわしています。その回転しているときに引っ張られる力が”遠心力”になります。そして、その遠心力に負けないようにハンマーを持ち続ける力が″求心力”です。そして互いの力は同じなので、つりあった状態になり回り続けるのです。
そして、これが地球の周りをまわっている宇宙船や宇宙ステーション
の中でも同じことがおきています。この場合の”求心力”は”地球の重力”になります。
そして、宇宙船や宇宙ステーションは地球の周りを回転する上でいうハンマーなので、
引力と遠心力が釣り合った状態、つまり力が何もかかっていない状態になります。
なのでその場所にいる人はふわふわと浮いているのです。
ちなみにその重力は地上にいる場合の88%の重力を受けているので、仮にこの遠心力がなかったらすぐに地球に落っこちてしまいますね。
そして、この釣り合った状態にはそれをつくりだす速度(スピード)が必要です。
ハンマー投げも回転のいきおいがないとぶんぶんまわらず、ハンマーは地表におちてしまいますよね。
あと、遠心力でよく使われる例だと、水を入れたバケツをぶんぶん振りまわした時、
水はこぼれないのもおなじ”求心力と遠心力のつりあい”で水がこぼれてこないのですが、まわすいきおいがなくなると途端に水はこぼれてきますよね。
なので、地球の周りを回る宇宙船や宇宙ステーションもその速度(スピード)が重要で
早くもなく遅くもないちょうどよい速度ですすないといけないのです。
(ちなみに速すぎると、地球の重力とつり合いが取れなくなり、宇宙に飛んで行ってしまいます!)
世の中にもこの現象は何か当てはまりますね。
”ともだちとの関係”や”お仕事と家族”も”バランス(調和)”が大事なのだと
いうことですね。
宇宙飛行飛行士になるには その② ”ひとの輪にはいって、みんなとうまくやっていくこと”は大切です!
宇宙飛行士なると、アメリカ、ロシア、ヨーロッパなどいろんな国の宇宙飛行士と宇宙ステーションという限られた空間で、長く共に暮らしていくことになります。
(今は常時6名程度が滞在しています。)
そういったことを考えると”宇宙飛行士になるには何が大切か”がわかってきますね。
そうです、他の人とうまくやっていく協調性や人を信頼すること、人を敬うことが必要になってきます。
学校やいろんなスポーツなどでみんなと一緒にやっていくことの機会は多いと思います。そういったときにみんなと一緒になかよくをやっていくことや時にともだちを助けたりすることは将来、宇宙飛行士になるためにはとても大切なことなのです。
そして、その中でも宇宙ステーションや未来の宇宙船の船長(キャプテン)になりたいと思っている場合は、みんなをまとめていく力も必要です。なので、キャプテンになりたいとおもっている人は学級委員であったり、スポーツチームに入っているのであればそこでキャプテンになったりで経験を積むことが大事です。
はじめはうまくいかないかもしれません。でも、いろんな経験をしてなんとかみんなをまとめていくことができたら、少し宇宙ステーションや未来の宇宙船のキャプテンに近づけるのではないかと思います。経験はみんなをキャプテンに近づける一番の近道ですね。
宇宙チャンネル自身もまだまだですが、人をまとめていく立場にあります。
年も20代~60代までさまざまな人とやっています。年齢に関係なく
相手の気持ちのことを考えてやっていく、それと同時にあること(きびしいことでも)を決断していくという判断力も必要だと経験して思っています。
そんな経験も、未来、宇宙に行くときに役立つことになるんだとときどき
思いながらやっています。
【2017】夏休み自由研究!夏休みの終わりに月のとなりにくる木星と土星をみよう!
今日(8/12)は宇宙イベントが重なりました。
宇宙の仕事に”何か”を残してみませんか?(宇宙ビジネスアイデア募集の案内です。)
今、JAXAさんのほうで、宇宙にある人工衛星・宇宙ステーションでの有人宇宙活動・
宇宙輸送(ロケット打ち上げ技術など)の技術やそこで得られた衛星データなどを利用したビジネスアイデアが7/18まで募集されています。
これらを利用したものであれば何でもいいです。
そうはいっても、
・実現性ができそうか
・そのビジネスアイデアに発展性があるか。
というのは審査ポイントになります。あと書いてあるのは″革新性”が
あるかという点です。
宇宙チャンンル的にはこの中で”発展性”がもっとも重要かと思っています。
発展性とはビジネスとして開花するということです。商売として需要(ニーズ)があるということですね。それがないといくら実現できても、斬新でもビジネスとして
成り立ちませんからね。
例でいうと数年前、3Dテレビというのが発売されていたと思いますが、最近はめっきり聞きませんね。購入する人が”家で3Dで画像を見る”ということまで望んでいなかったのだと思います。迫力のある映像は家の小さなテレビではなく、大画面の劇場で、他の多くの人と一緒に見ながら、”驚き”や”感動”を共有できるということがニーズだったのだと思います。
そう思って考えましたら、うーん、宇宙チャンネルの場合は、既存の宇宙技術やビジネスが脳みそを邪魔してあまり革新的なものが浮かんでいないです。
・人工衛星のリモート技術を利用した子供さんや高齢の方の安全確保・追跡サービス
(要はいつでもその人がどこにいるかわかるようになったら安心が得られるような)
・人工衛星の情報をもとにした”最短ルートナビ”
(リアルタイムで交通状況をつかみ最適な経路を教える。効率的な時間の使い方ができる)
など、思いつきそうなものばかりで...
なぜ、宇宙ビジネスがなかなか活性化できていないかを考えて宇宙ビジネス案を作り出した方が良さそうです。
・コストが高い。(相乗り衛星でも数億円はかかる)
・様々な規制がある。(打ち上げ期間、場所、安全など)
そして、未来がどうなるか(どうなってほしいか)と想像して考える。
・誰でも宇宙へいける。
・宇宙への遥かなる旅ができる。
・宇宙の資源がエネルギー問題を解決できる。
・宇宙でできた成分が新薬になる。
・宇宙への輸送技術が地上の輸送に転換され劇的に移動時間が短縮される。
(”2001年宇宙の旅”より)
ここから少し考えてみようと思います。
皆さんもいいビジネスアイデアがあったらぜひ応募してみてください🚀
宇宙業界への就職マニュアル (ちょっと番外編)
(出典 JAXAさんより)
ロケットの作り方 第3弾(ノズルとは?)
(JAXAさんより引用)
Made in Japanの宇宙旅行は?
流れ星(shooting star)は今日が一番見れそうです!
なぜ ”はやぶさ、はやぶさ2”の再突入カプセル”は大気圏で燃えずに地球に帰還できるのか?
小惑星”リュウグウ”の地表の物質を採取できたはやぶさ2。帰還予定は今年の12月、意外とあっという間に近づいてきました。もう今年です。
地球に戻ってくるときは”大気圏突入!”でも燃えないのはなぜかをご存知ですか?
ここは”はやぶさ”で大成功したので”はやぶさ2”でもほぼ改良しなかった点でした。
僕はこの”はやぶさ2”の開発の一部にかかわったので、そんなお話をしていきたいと思います。
大気圏再突入は超高温
はやぶさカプセルは1万℃まで上がる
サンプルを地球再突入時に守るのが、僕も製作にたずさわった再突入カプセル。
宇宙との境目,高度100kmで”大気圏突入”し、そこからは空気が存在してくるので空力加熱により地表に戻ってくるものは超高温にさらされるという現象がおきます。
※ ちなみに”大気圏”という言葉の意味は、対流圏→成層圏→中間圏→熱圏と僕たちが住んでいる地表から高度400kmほどの熱圏までを示しています。なので、100kmより高い位置でも大気圏なのですが、空気による加熱が始まるところを”大気圏突入”と呼んでいます。
温度の上がり方はスピードと高度で決まってくる
ちなみにはやぶさは1万℃ですが、宇宙飛行士が地球に帰ってくるときに使用されるロシアのソユーズでは約1500℃
この温度は再突入するものの速度と高度によって決まります。
カプセルが燃えずに帰ってこれる3つの理由
カプセルの素材は炭素の繊維
この材料、すでに焼かれ炭素になっているので熱にはもちろん強い、そうはいっても耐えられるのは数千℃まで。
この炭素繊維が”燃えない”カギとなっている
固めたばかりは割れていなくても、時間が経ったり、削ったりすると内部の力が外にでてきて”割れていた”なんてことがあるので、温度と圧力の条件をいろいろ変えてベストのものを導いていきます。トライ&エラーを繰り返すわけですね。
そんな風にして作られるカプセルは3つの理由で燃えることなく戻ってくる。
小惑星が衝突したらどうなるか?
そんな、小惑星の落下、予測できるのは2割程度。