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宇宙旅行も間近!?最新宇宙機エンジン14種類

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本記事は、14 Superfast Conceptual Spacecraft Engines
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約7分55秒

地球から宇宙に向かってロケットを発射するには、とても高額で複雑な過程が伴います。相当な根気とチームワークが必要なのです。

 

宇宙空間で宇宙機や人工衛星を動かすには、多くの方法があります。それぞれ利点と欠点があります。しかし今や、ロケットエンジンもしくは宇宙機エンジンとして知られる、超高速のドラバル・ノズルを通して乗り物の後方からガスを噴射することで、ほとんどのロケットは動いています。

 

エアブリージングジェットと違い、高緯度だと空気は薄くなるためにロケットは空気ガスを出して動くことはできません。ロケットエンジンは、推力を生むためには、排気を出さなければなりません。かなりシンプルに見えますが、この過程に含まれる技術的問題はかなり困難です。ここでは、人類の展望を広げるであろう、概念的宇宙機推進力技術を紹介します。

 

Synergistic Turbojet

これは、単段式宇宙輸送機(single-stage-to-orbit approach)を使用し、軌道の高さに達するのにハードウェア排気を行わない、ハイブリッドロケットエンジンの新しい概念です。その代わり、エンジンの燃焼反応を促すために、空気ガスを用います。これにより、余分な酸化剤を持ち運ぶ手間を省き、重さも減ります。

 

この概念は、イギリスの会社Reaction Engine Limitedにより展開され、スペースプレーンのスカイロンが地球の低緯度を飛ぶのを支持しました。

 

エアブリージングモードは、ターボ圧縮機と、ロケットの円錐の入口の丁度後ろにある軽量ガス予冷器を融合します。その名の通り、予冷器は熱い空気を冷却し、エンジン内の圧縮された空気を高圧にします。圧縮された空気は燃焼室を断続的に通過し、液体水素により着火します。エンジン内の高圧力比で、高緯度で推進力を生みます。予冷器は、空気を液化しないので、エンジンはより効率的に動くのです。

 

Electromagnetic Coilgun Launcher

電子工学的コイルガンは、アークを生み出す直接的な電子的接触なく、断続的に動く磁場でその荷重を動かします。コイルガンは、誘導力により動きます。そして、適切な時間稼働しコンピューターによりコントロールされる、ソレノイドコイルにより構成されています。

 

高電力の大きなコイルは、宇宙機を推進、もしくは軌道を何マイルも高速で移動するのに十分な強い磁場を生み出すことができます。しかし、十分な運動量に達するためには、軌道は何マイルにもなり、何十億ドルもの費用がかかるのです。創案者によると、未来のための投資とすれば、安いものだそうです。

 

VARIES

The Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES)は、Icarus Interstellar Incの社長Richard Obousyにより発案された、宇宙推進の発展した概念です。高密度レーザーのための力を作り出すため、巨大な太陽アレイを使用します。こうしたレーザーは、シュウィンガー電子対生成と呼ばれる少量の効果を利用し、反物質の分子を生成します。この分子は蓄えられ、燃料として使われます。

 

これは簡単なように聞こえますが、設計的なハードルが多くあります。太陽力システムとレーザーの設置に加え、宇宙船は反物質を蓄えるためのマグネティックボトルを必要とします。小さなミスが、ガンマ線の閃きの中で宇宙船全体を気体化させてしまいます。さらに、星間の宇宙を飛行する間、マグネティックノズルと放射線シールド、その他全ての準備により、宇宙船を守らなければいけません。

 

全ての障壁を乗り越えられれば、VARIES概念は宇宙船を光の速さで動かすことを可能にするのです。

 

Nuclear Thermal Rocket

熱核ロケットでは、反応器内で水素が高温度に熱せられることで、ロケットノズルから噴射され、推進力を生みます。これは2列の化学エンジンの比推力と共に、超効率的に排気速度、つまり優勢な推進効率を作り出します。

 

Rosatom (Russian State Corporation)は、地球から45日で火星に行ける、原子力ロケットエンジンを設計しました。現在使われている伝統的なロケットは、18カ月かかります。

 

ロケットのこうしたタイプは、反応器の構造の、固体、液体、気体により分類されます。最も効率的なデザインは、最高温度を必要とし、大抵が資源により制限されます。

 

Ducted Rocket

Ducted Rocketは超高速の排気を用い、ラムエフェクトによりさらに空気を圧縮します。これにより、ロケットもしくはラムジェットだけの時に比べ、どんな量の燃料でもさらに高い推進力が作られます。これが有用なゼロ速度の推進フォームを提供し、大気圏外を駆動できます。

 

通常の固体ロケットは、約260秒の比推力を持つ一方、ducted rocketデザインと同じ燃料を使うことで、これを500秒以上にまで上げることができます。たとえ、最良な酸素もしくは水素エンジンがこの形に合わなかったとしても。

 

しかし、高速エンジンの通気口はかなり開発が難しく、エアフレームのどこにでも設置できるわけではありません。全てのエアフレームは、通気口デザインの周囲で開発される必要があります。さらに、空気はやがて出し尽くされるので、推進力の増幅は、そのロケットの上昇の速さにより制限されます。

 

Stellar Windjammer

太陽は、断続的に電子と陽子の高速な流れである荷電粒子を噴出します。こうした放射圧力は磁場にかかり、推進力を生みます。さらに、太陽風に沿って帆を変えることで、推進力の方向は調整されます。

 

Andrews Zubrin magsailは、プラズマの恒星風を捕らえ方向転換させる磁場を生成するために熱伝導ループを用います。磁場は宇宙船全体を囲むため、どんな航路でもアルファもしくはベータ線から完璧に保護します。しかし、ガンマ線やニュートロン、エックス線からは保護しません。

 

2018年NASAは、Asteroid Scoutの飛行調査の間、ソーラーセールを配置することを計画しました。

 

Nested-Channel Hall Thrusters

Nested-Channel Hall Thrustersは、伝統的な単一チャネルであるホールスラスターを統括するユニットごとのスラスターシステム力を改良するために開発されました。その狙いは、排出チャネルの相互作用に対する理解を深めるため、異なる入れ子構造のスラスター配置の羽の性質を研究することです。また、高推力・高lspオペレーションモードについて研究するためでもあります。

 

ネスティング排出チャネルは、フットプリントエリアを減らし、強力なホールスラスターの排出量を減らします。さらに、ネスティッドチャネル構造は、利用可能なチャネルの選択された活性化を通して、出口エリアを変えるという性質を持っています。排出チャネルの様々な組み合わせを使うことで、スラスター全体の複数のデザインポイントを制御したり促したりする、二次メソッドを提供するのです。

 

Antimatter Rocket

反物質はノーマル物質のまさに反対です。反物質の原子核内部分子は、ノーマル物質分子と対照的な資源を持っています。こうした分子の電荷は覆されます。二つが相互作用した時、互いを無効化し、膨大なエネルギーを作るのです。科学者は、宇宙へのロケットエンジンにこの力を利用しようとしています。

 

反物質ロケットは、他のすでにあるロケットに比べると、ずっと高いエネルギー密度と比推力を持つとされています。反物質が100マイルグラムあれば、地球から火星へ行くのに十分である一方、化学ロケットは推進薬が何トンも必要になります。

 

しかし、この力には大小が伴います。いくつかの反物質反応が高エネルギーのガンマ線の放出を作り出し、物質を貫いて分子をいくつかの細胞に分裂させます。こうして放射エンジンが作られます。NIAC (NASA Institute for Advanced Concepts) は近年、この残酷な効果を避けるような、反物質駆動宇宙機の新しいデザインを制作中です。

 

External Pulsed Plasma Propulsion

External Pulsed Plasma Propulsionは、推進のために核爆発を利用し、初めはDARPAによるProject Orionにより展開されました。このデザイン努力は、1950年代後半、ゼネラル・アトミックスにより実行されました。この運動量移行は、効率的な指向性の爆発によって増加し、これによって6,000秒もの比推力を生み出しました。これは、スペースシャトルのメインエンジンのおよそ30倍です。理論的には、さらなる発達と改善により、最大で100,000秒の比推力が可能になります。

 

Project Orionの間に、様々な技術的課題が見つかり、解決されました。そのほとんどが、プッシャープレートの寿命と船員の防護に関連することです。1965年、システムは全体的に有用かのように見えましたが、部分的核実験停止条約によりプロジェクトは中止となりました。

 

Project Daedalus

Project Daedalusは、1970年代に英国惑星間協会により5年間にわたってすすめられた研究です。その狙いは、50年後(5.9億光年)バーナード星に届くような現在もしくは近未来の技術を用いた、効率的な無人星間宇宙機をデザインすることです。

 

そして2段階の宇宙機となりました。46年のクルーズ時代が幕を閉じる前に、最初2年の1段階目では、宇宙機を光の速さの7.1%にまで加速させ、2段階目では12%の速さにまでしました。

 

激しい天候状況(0から1600K)のために、エンジンを搭載した全ての構造は、モリブデン鋼とカーボン、ジルコニウム、チタニウムを混ぜて合金にしています。その宇宙機は、Friedwardt Winterbergの、inertial confinement fusion drive conceptを用いており、トリチウムと重水素の混合物を含んだ小球の形状の中で燃料を熱したり圧縮したりすることで、核融合反応が始まります。

 

Cubesat Ambipolar Thruster (CAT)

Cubesat Ambipolar Thrusterは、地球から遠く離れた地点もしくは軌道周辺で小さい宇宙機を動かすようにデザインされた、新プラズマ推進システムです。キューブサットは、典型的な人工衛星に比べ、開発や発射コストがずっと安価な極小衛星の一つです。それらは、空芯コイルを搭載した、新しいDC・RF発振器により動きます。

 

ヘリコン波を出すために、無線周波数アンテナにより絶えずプラズマが作られます。周波は、希土類磁石によりつくられた磁場で隔離されたプラズマライナーの壁から電子を熱します。電子ノズルを通してプラズマから電子ドラッグイオンと周波が噴出します。電子の熱エネルギーは、推進力をつくるためにイオン内の運動エネルギーと結合します。

 

CATは、1Uもしくは3Uのキューブサットに適応するようにデザインされています。近年、これは大型ロケットに搭載され、一度宇宙へ出ると地球の周囲を漂います。しかし、これはすぐに変わり、CAT技術は小型宇宙機を小惑星や月、火星さらにその向こうへ飛ばすのに役立つでしょう。

Nanoparticle Micropropulsion

ナノ電界効果トランジスタは、推進力をつくるためにナノ・ミクロ電子を電子的に充電したり加速させたりします。これにより、最近の推進システム単体では不可能だった様々なミッションをこなすような高い推進力を実現します。一般的なナノ分子の加速装置は、環境治療や物質加工、生物医学にも用いられています。

 

Evolutionary Xenon Thruster (NEXT) projectは、5年半以上イオンエンジンを検証しています。そして推進エンジンは燃料のかさばりを最小限にすることができることを発見しました。困難を乗り越え、従来のロケットが10000㎏を消費して作った推進力を、NEXTは燃料860㎏で作りました。

 

Photonic Laser Thruster

Dr. K. Baeは、燃料タンクを運ぶ必要のない宇宙機操縦の概念を提案しました。この原理は、鏡から反射された光線による光子推進力から、直接推進力を作り出します。レーザ推進やソーラーセイル異なり、増幅過程が用いられます。この過程の中で、定在ミラーによる入射ビームが、各反射の増幅段階で再利用されます。

 

15kwの入力レーザーの力で10000回写真をリサイクルすることで、1Nnの光子推進力を作ります。同等の推進力は、100kwのソーラーパネルによりつくられます。小型ロケットの高精度・高速操作に加えて、空中給油のように、高価で軽量な任務車両の推進力を作るのにも使われます。

 

Alcubierre Warp Drive

メキシコの物理学者Miguel Alcubierreは、一般的な関連性で、Einsteinの場方程式の解決方法を基準とした考えを提案しました。もし想定可能なエネルギー密度が真空(かさが0より少ない)のエネルギーより少なく作ることができれば、光より速い宇宙機が実現します。

 

通常の時空四次元の世界では、物体は光より速く動けません。Alcbrierreが主張したのは、物体の周囲の空間を動かすことです。つまり、物理学ルールを犯すことなく、通常の空間で物体が光より速く移動することができるのです。

 

Alcubierre Driveは、周波の中の時空四次元の世界を拡大しました。宇宙機の先の宇宙空間は縮まり、宇宙機の後ろの空間は広がります。機体は波に乗り、加速しタイムトラベルが可能になります。

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