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宇宙チャンネル (Uchu Channel)

宇宙チャンネル (Uchu Channel)を通して現役ロケット開発者がわたし自身が語る、ロケット開発の生の声、宇宙や星に関するいろんな情報を発信しています。 そして、この発信からいろんな人に宇宙に興味をもってもらいたい、日本の自然科学・宇宙産業をもっと活発にしたいと思っています。

ロケットの作り方 第3弾(ノズルとは?)

殺虫剤は”ノズル”から吹き出ますなんて言いますよね。
   ロケットも同じように”ノズル”と言われる部分は燃料が燃焼した
   時に生成される高温高圧ガスが吹き出て、そこがロケットの推進力ろなる重要な部分です。
 
  H2Aロケットの場合、吹き出し口は3000度ぐらいの高温となるので
  
  コアエンジンは自身の燃料である液体水素を流して、ノズル部を冷却していしています。構造はノズル部を冷却するように液体水素が流す何千本もの配管を繋いだ形状になっています。燃料を液体にしている理由はわかりますよね。常温だったら酸素も水素も気体で体積が何倍にもなってしまうので、ロケットに燃料としていくらも積めないです。”冷却すべき液体水素を利用して、ノズルを冷やす”という仕組みが一石二鳥で効率的に活用していますね。ノズル冷却時に液体水素もガスの熱をうばうので、液体水素も温度が上がり、気化しやすくなって、燃焼前に液体水素の温度上げるのにも一役買っています。(気化しやすくしておいた方が余計なエネルギー使わないので)。画像で見るとわかるように、配管の入りくんだ構造なので、金属のパーツごとに組み立ててそれを集合体にしていくという作り方をしているのだと思います。もちろん、パーツごとやユニットごとでの試験をしながらです。正しい流量が流れるか、金属は溶接が重要なポイントを占めるので、溶接に欠陥がないかなどを検査しながら、出来上がっていきます。

 

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LE-7A液体燃料ロケットエンジン
Wikipediaさんより引用)

 

一方、ロケットの初めの推進力を支える固体ロケットブースタは固体燃料を燃焼させて、やはり高圧高温のガスを吹き出し、推進力にしています。こちらのノズルはおなじみのFRP繊維強化プラスチックから作られた部品をメインに構成されています。もっとも熱がかかり厳しい条件の箇所は、あらかじめ炭素からなる材料を使っています。
FRPは高熱がかかると成分が気化して、残るのは炭化層だけになるので、初めからその炭素にしているのです。そうはいっても高温である程度、成分は気化していきますので高温高圧ガスにされされたあとは中身が多少すかすかになっています。その隙間にガスが入り、そこはそこで高温高圧ガスがその空間で入りこみ、ノズルがこのガスでやれてにくくしていくる効果があります。
ノズルの作り方はというとやはり1つづつのパーツで試験しながら形にし、それをこちらのノズルは接着していくことで形作っていきます。
ここは”金属と繊維強化プラスチックの違い”が大きくでているところです。

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固体ロケットブースタ
(JAXAさんより引用)
 
金属同士をくっつける場合、ねじなどによる組立か金属の接着ともいえる”溶接”でくっつけていきます。
FRPは繊維ですので溶接はできませんし、ねじによる組立も不向きです。FRPは強度はあるのですが、”もろい”のが特徴です。金属のように分子同士が強固につながっているものでなく、繊維を組んで、樹脂で固めています。繊維ですから、想像できるようにある方向に繊維がたばねられてできあがっているので、繊維を断ち切るような方向には強さを発揮しないのです。FRPにねじ組み付ける場合はどうしても繊維を切断する方向なので、繊維というよりプラスチックの部分だけでねじをおさえておくことになるので、弱いのです。
お風呂の洗面器にネジを立てるようなものです。ネジ山すぐにダメになりそうですよね。
 
ノズルを作るときのポイントは
 金属の場合は溶接”
 FRPの場合は接着”
の良否によって決まります。
溶接の場合は溶接した範囲がしっかり溶接されているか(溶接されていない箇所がないか、溶接割れを起こしている箇所はないか)”が非常に重要なのです。
 
そして接着の場合も同様で”接着した範囲がしっかり接着剤が入り込み接着されているか”というところです。
 
1ヶ所でも不安なところがあるとそこを起点に高温高圧ガスや燃料がもれ、打上の失敗につながりますから。(何十億円が一瞬で”パァ-”になります)
 
ロケットすべての部品がそうですが、ノズル部に関しては特に高温高圧にさらされ、燃料を供給する部分ですので、わずかなミスもなく作らなければならないものなのです。
 

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溶接部
MHIさんより引用)