推進剤

推進剤（または推進薬）は、ニュートンの第 3 運動法則に従って推力またはその他の原動力を生成し、車両、発射体、または流体ペイロードを「推進」するように放出または膨張する質量です。車両では、推進剤を放出するエンジンは反応エンジンと呼ばれます。技術的には推進剤は推力を生成するために使用される反応質量ですが、「推進剤」という用語は、反応質量と、反応質量を加速するために使用されるエネルギーを保持する燃料の両方を含む物質を説明するためによく使用されます。たとえば、「推進剤」という用語は、化学ロケットの設計で複合燃料/推進剤を説明するためによく使用されますが、推進剤を、推進剤を放出するエネルギーを生成するためにエンジンで使用される燃料と混同しないでください。燃料として使用される物質の副産物は、化学ロケットエンジンなどのように、推力を生成するための反応物質としても使用されることが多いですが、推進剤と燃料は 2 つの異なる概念です。

車両は推進剤を使用して移動することができ、後方に推進剤を噴射することで反対の力が生まれ、車両を前進させます。発射体は、発射体を動かす原動力となる膨張ガスである推進剤を使用できます。エアゾール缶は、圧縮された液体である推進剤を使用するため、バルブを解放して推進剤を放出すると、圧縮によって蓄積されたエネルギーによって推進剤が缶から排出され、その推進剤がエアゾールのペイロードを推進剤とともに押し出します。圧縮された液体は、単純な車両の推進剤としても使用でき、圧縮された液体に蓄積された位置エネルギーが推進剤として液体を放出するために使用されます。液体に蓄積されたエネルギーは、圧縮空気などの液体が圧縮されたときにシステムに追加されます。空気を圧縮するために使用されるポンプまたは熱システムに加えられたエネルギーは、推進剤を放出させることによって放出されるまで蓄積されます。圧縮流体は、水ロケットのように、推進剤として他の物質とともにエネルギー貯蔵としてのみ使用される場合もあります。この場合は、圧縮空気に貯蔵されたエネルギーが燃料であり、水が推進剤です。

電気で動く宇宙船では、電気を使って推進剤を加速します。静電気力を使って陽イオンを放出したり、ローレンツ力を使って陰イオンと電子を放出して推進剤として利用します。電熱エンジンは電磁力を使って低分子量ガス（水素、ヘリウム、アンモニアなど）を加熱してプラズマにし、そのプラズマを推進剤として放出します。抵抗ジェット ロケットエンジンの場合、圧縮された推進剤は抵抗加熱によって単純に加熱され、放出されて推力が増加します。

化学ロケットや化学航空機では、燃料を使用して高エネルギーガスを生成し、これをノズルから噴射して推力を生成します。ロケットでは、ロケット燃料の燃焼により排気ガスが発生し、排気された物質は通常、圧力をかけた推進剤としてノズルから排出されます。排気物質は、ガス、液体、プラズマ、または固体です。ジェット機などのプロペラのない動力航空機では、推進剤は通常、燃料と大気中の酸素の燃焼生成物であるため、結果として得られる推進剤は、機体に搭載されている燃料よりも質量が大きくなります。

提案されている光子ロケットは、光子の相対論的運動量を利用して推進力を生み出します。光子は質量がありませんが、相対論的速度、つまり光速で移動するため、推進剤として機能します。この場合、ニュートンの第 3 の運動法則では関連する物理をモデル化するには不十分であり、相対論的物理学を使用する必要があります。

化学ロケットでは、化学反応を利用してエネルギーを生成し、そのエネルギーによって流体を動かし、その化学反応の生成物 (場合によっては他の物質) を推進剤として排出します。たとえば、単純な水素/酸素エンジンでは、水素を燃焼 (酸化) させてH ₂ Oを生成し、化学反応のエネルギーを使用して水 (蒸気) を排出し、推進力を得ます。化学ロケット エンジンでは、多くの場合、反応質量を増やすために、より高分子量の物質が燃料に含まれています。

ロケット推進剤は、冷たいガスとして、つまり、激しい混合や燃焼なしに膨張ノズルから排出され、通常は操縦スラスタとして 使用される冷たいガススラスタを使用して宇宙船に小さな速度変化をもたらします。

保管に便利な密度を得るために、ほとんどの推進剤は固体または液体として保管されます。

ロケットの推進剤は、ロケットなどの乗り物から排出される物質で、ニュートンの運動の第 3 法則に従って推力を生み出し、乗り物を前方に「推進」します。推進剤を排出するエンジンは、反応エンジンと呼ばれます。化学ロケットの設計では、「推進剤」という用語は、燃料と推進剤を組み合わせたものを表すためによく使用されますが、推進剤を、推進剤を排出するエネルギーを生成するためにエンジンで使用される燃料と混同しないでください。燃料として使用される物質の副産物も、化学ロケット エンジンなどで推力を生み出すための反応物質としてよく使用されますが、推進剤と燃料は 2 つの異なる概念です。

電気で動く宇宙船では、電気を使って推進剤を加速します。静電気力を使って陽イオンを放出したり、ローレンツ力を使って陰イオンと電子を放出して推進剤として利用します。電熱エンジンは電磁力を使って低分子量ガス（水素、ヘリウム、アンモニアなど）を加熱してプラズマにし、そのプラズマを推進剤として放出します。抵抗ジェット ロケットエンジンの場合、圧縮された推進剤は抵抗加熱によって単純に加熱され、放出されて推力が増加します。

化学ロケットや化学航空機では、燃料を使用して高エネルギーガスを生成し、これをノズルから噴射して推力を生成します。ロケットでは、ロケット燃料の燃焼により排気ガスが発生し、排気された物質は通常、圧力をかけた推進剤としてノズルから排出されます。排気物質は、ガス、液体、プラズマ、または固体です。ジェット機などのプロペラのない動力航空機では、推進剤は通常、燃料と大気中の酸素の燃焼生成物であるため、結果として得られる推進剤は、機体に搭載されている燃料よりも質量が大きくなります。

推進剤または燃料は、単に圧縮された流体である場合もあり、その場合、圧縮された流体に蓄えられた位置エネルギーが、推進剤としての流体を放出するために使用されます。流体に蓄えられたエネルギーは、圧縮空気などの流体が圧縮されたときにシステムに追加されます。空気を圧縮するために使用されるポンプまたは熱システムに適用されたエネルギーは、推進剤が逃げることによって解放されるまで蓄えられます。圧縮流体は、水ロケットのように、推進剤として他の物質とともにエネルギー貯蔵としてのみ使用される場合もあります。この場合、圧縮空気に蓄えられたエネルギーが燃料であり、水が推進剤です。

提案されている光子ロケットは、光子の相対論的運動量を利用して推進力を生み出します。光子は質量がありませんが、相対論的速度、つまり光速で移動するため、推進剤として機能します。この場合、ニュートンの第 3 の運動法則では関連する物理をモデル化するには不十分であり、相対論的物理学を使用する必要があります。

化学ロケットでは、化学反応を利用してエネルギーを生成し、そのエネルギーによって流体を動かし、その化学反応の生成物 (場合によっては他の物質) を推進剤として排出します。たとえば、単純な水素/酸素エンジンでは、水素を燃焼 (酸化) させてH ₂ Oを生成し、化学反応のエネルギーを使用して水 (蒸気) を排出し、推進力を得ます。化学ロケット エンジンでは、多くの場合、反応質量を増やすために、より高分子量の物質が燃料に含まれています。

ロケット推進剤は、冷たいガスとして、つまり、激しい混合や燃焼なしに膨張ノズルから排出され、通常は操縦スラスタとして 使用される冷たいガススラスタを使用して宇宙船に小さな速度変化をもたらします。

保管に便利な密度を得るために、ほとんどの推進剤は固体または液体として保管されます。

推進剤は化学反応によってエネルギーを与えられ、固体、液体、または気体を排出します。電気エネルギーは、気体、プラズマ、イオン、固体、または液体を排出するために使用できます。光子は、相対運動量を介して推力を提供するために使用できます。

• 複合推進剤は、過塩素酸アンモニウムや硝酸アンモニウムなどの固体酸化剤、HTPB、PBAN、ポリウレタンなどの合成ゴム（または追加エネルギー用のポリグリシジル硝酸塩やポリビニル硝酸塩などのエネルギーポリマー）、オプションでRDXやニトログリセリンなどの高爆発性燃料（これも追加エネルギー用）、および通常はアルミニウムなどの粉末金属燃料から作られています。
• アマチュア用の推進剤の中には、硝酸カリウムを砂糖、エポキシ、その他の燃料や結合剤化合物と組み合わせて使用​​するものもあります。
• 過塩素酸カリウムは、アスファルト、エポキシ、その他の結合剤と組み合わせて酸化剤として使用されてきました。

作動中に爆発する推進剤は、パルスデトネーションエンジンの実験は行われているものの、現在はほとんど実用化されていません。また、新しく合成されたビスホモクバンベースの化合物は、将来の固体および液体推進剤として研究段階で検討されています。^{[1] [2]}

固体燃料/推進剤は、グレインと呼ばれる形で使用されます。グレインとは、サイズや形状に関係なく、燃料/推進剤の個々の粒子です。グレインの形状とサイズによって、燃焼時間、ガス量、燃料の燃焼によるエネルギー生成率が決まり、結果として推力と時間のプロファイルが決まります。

異なる粒子を使用して実現できる 3 種類の燃焼があります。

進行性燃焼

通常、中央に複数の穴があいていたり、星型にカットされていて、広い表面積を確保している穀物です。

漸進的燃焼

通常、円筒形または球形の固体粒子です。

ニュートラルバーン

通常は単一の穿孔で、外側の表面積が減少すると、内側の表面積が同じ割合で増加します。

固体燃料/推進剤の組成には 4 つの種類があります。

単一ベースの燃料/推進剤

シングルベースの燃料/推進剤の主な爆発物成分はニトロセルロースです。安定剤やその他の添加剤は、化学的安定性を制御し、その特性を強化するために使用されます。

二重ベース燃料/推進剤

ダブルベース燃料/推進剤は、ニトロセルロースにニトログリセリンまたはその他の液体有機硝酸塩爆薬を加えたものです。安定剤やその他の添加剤も使用されます。ニトログリセリンは煙を減らし、エネルギー出力を高めます。ダブルベース燃料/推進剤は、小火器、大砲、迫撃砲、ロケットに使用されます。

トリプルベース燃料/推進剤

トリプルベース燃料/推進剤は、ニトロセルロース、ニトログアニジン、ニトログリセリン、またはその他の液体有機硝酸塩爆薬で構成されています。トリプルベース燃料/推進剤は大砲に使用されます。

複合

複合材料は、ニトロセルロース、ニトログリセリン、ニトログアニジン、またはその他の有機硝酸塩を主成分として使用しません。複合材料は通常、金属アルミニウムなどの燃料、合成ゴムやHTPBなどの可燃性結合剤、および過塩素酸アンモニウムなどの酸化剤で構成されます。複合燃料/推進剤は、大型ロケット モーターで使用されます。米国の SLBM トライデント II ミサイルなどの一部の用途では、ニトログリセリンがアルミニウムと過塩素酸アンモニウムの複合材料に強力な可塑剤として添加されます。

ロケットでは、極低温酸素と水素、極低温酸素と炭化水素、貯蔵可能な推進剤の3つの主な液体二元推進剤の組み合わせが使用されています。^[3]

極低温 酸素・水素複合システム

宇宙打ち上げシステムの上部ステージ、および場合によってはブースター ステージで使用されます。これは無毒の組み合わせです。これにより、高い比推力が得られ、高速ミッションに最適です。

極低温酸素炭化水素推進システム

宇宙打ち上げロケットの多くのブースター段と少数の第 2 段に使用されます。この燃料/酸化剤の組み合わせは高密度であるため、よりコンパクトなブースター設計が可能になります。

貯蔵可能な推進剤の組み合わせ

ほとんどすべての二液推進剤低推力、補助または反応制御ロケットエンジンに使用され、また一部では弾道ミサイルの第 1 段および第 2 段用の大型ロケットエンジンにも使用されています。瞬時に始動でき、長期保管に適しています。

液体燃料ロケットに使用される燃料の組み合わせには以下のものがあります。

• 液体酸素と液体水素^[4]
• 液体酸素と灯油またはRP-1 ^[5]
• 液体酸素とエタノール
• 液体酸素とメタン
• 過酸化水素と上記のアルコールまたはRP-1
• 赤色発煙硝酸（RFNA）と灯油またはRP-1
• RFNA と非対称ジメチルヒドラジン(UDMH)
• 四酸化二窒素およびUDMH、MMH、および/またはヒドラジン

液体ロケットエンジンに使用される一般的な一元推進剤には以下のものがあります。

• 過酸化水素
• ヒドラジン
• 赤色発煙硝酸（RFNA）

電気で駆動する反応エンジンは、原子イオン、プラズマ、電子、小さな液滴、固体粒子など、通常はイオン化されたさまざまな推進剤を推進剤として使用します。

加速が主にクーロン力によって発生する場合（つまり、加速の方向に 静電場が適用される場合）、デバイスは静電気駆動であると見なされます。静電駆動装置の種類とその推進剤:

• グリッドイオンスラスタ- 正イオンを推進剤として使用し、電気的に帯電したグリッドによって加速する
  • NASA太陽技術応用準備（NSTAR） - 高電圧電極を使用して加速された正イオン
  • HiPEP – マイクロ波を使用して生成された陽イオンを推進剤として使用
  • 高周波イオンスラスタ– HiPEPの一般化
• ホール効果スラスタ（そのサブタイプである固定プラズマスラスタ（SPT）と陽極層付きスラスタ（TAL）を含む） - ホール効果を利用して電子を方向付け、推進剤用の正イオンを生成します。
• コロイドイオンスラスタ–推進剤としての液体塩の液滴の静電加速
• 電界放出電気推進- イオン化した液体金属を推進剤として加速するために電極を使用する
• ナノ粒子場抽出スラスタ–推進剤として帯電円筒状カーボンナノチューブを使用

これらは電磁場を利用してプラズマを発生させ、それを推進剤として利用するエンジンです。エネルギーを与えられた推進剤を噴射するためにノズルを使用します。ノズル自体は磁場だけで構成されている場合もあります。この種のシステムでは、低分子量ガス（水素、ヘリウム、アンモニアなど）が推進剤として好まれます。^[6]

• レジストジェット– 通常は不活性な圧縮推進剤を使用し、単純な抵抗加熱によってエネルギーを供給します。
• アークジェット–電気アークでエネルギーを供給される推進剤として（通常は）ヒドラジンまたはアンモニアを使用する
• マイクロ波– 高周波イオン推進装置の一種
• 可変比推力磁気プラズマロケット（VASIMR） - マイクロ波で生成されたプラズマを推進剤として使用し、磁場でその推進力を制御します。

電磁スラスタはイオンを推進剤として使用し、イオンはローレンツ力または磁場によって加速されます。ローレンツ力または磁場はどちらも電気によって生成されます。

• 無電極プラズマスラスタ–冷たいプラズマを推進剤として使用し、重力によって加速する複雑なシステム
• 磁気プラズマ動力学スラスタ- 推進剤としてはキセノン、ネオン、アルゴン、水素、ヒドラジン、リチウムなどがあり、ローレンツ力を利用して噴射される。
• パルス誘導スラスタ- この反応エンジンは放射状の磁場を使用するため、正と負の両方の粒子に作用し、水、ヒドラジン、アンモニア、アルゴン、キセノンなど、さまざまなガスを推進剤として使用できます。
• パルスプラズマスラスタ- 推進剤としてテフロンプラズマを使用し、電気アークによって生成され、ローレンツ力を使用して排出されます。
• ヘリコン二層スラスタ-高周波帯域の電波によって誘導されるヘリコンを使用してガスからプラズマ推進剤を生成し、励起し、円筒内に磁気ノズルを形成します。

核反応は、推進剤を放出するためのエネルギーを生成するために使用できます。上で概説したように、電気推進用の電力を生成するために多くの種類の原子炉が使用または提案されてきました。核パルス推進は、一連の核爆発を使用して大量のエネルギーを作成し、核反応の生成物を推進剤として放出します。核熱ロケットは、核反応の熱を使用して推進剤を加熱します。通常、推進剤は水素です。これは、力が推進剤の質量に関係なくエネルギーの関数であるためです。したがって、最も軽い推進剤 (水素) が最大の比推力を生成します。

光子反応エンジンは、光子を推進剤として使用し、その離散的な相対論的エネルギーを使用して推力を生成します。

圧縮流体または圧縮ガス推進剤は、化学反応ではなく、コンプレッサーによって物理的に加圧されます。達成できる圧力とエネルギー密度は、高性能ロケットや銃器には不十分ですが、ほとんどの用途には十分であり、その場合、圧縮流体は、よりシンプルで安全かつ実用的な推進剤圧力源となります。

圧縮流体推進剤は、単に加圧されたガスである場合もあれば、大気圧ではガスであるが圧力下で液体として保存されている物質である場合もあります。

高圧洗浄やエアブラシなど、大量の噴射剤が使用される用途では、コンプレッサーで空気を加圧し、すぐに使用することができます。さらに、手動ポンプで空気を圧縮すると、そのシンプルさから、アトマイザー、植物用ミスト、ウォーターロケットなどのローテク用途にも使用できます。このようなシステムの最もシンプルな例は、ケチャップやシャンプーなどの液体用のスクイーズボトルです。

しかし、圧縮ガスは、貯蔵容器内で液化しない場合は貯蔵推進剤として実用的ではありません。大量のガスを貯蔵するには非常に高い圧力が必要であり、高圧ガスボンベと圧力調整器は高価で重いからです。

液化ガス推進剤は大気圧では気体ですが、適度な圧力で液体になります。この圧力は、ペイロード（エアゾール塗料、消臭剤、潤滑剤など）の推進力を十分に発揮できるほど高く、安価な金属缶に保管できるほど低く、缶が破裂しても安全上の問題が生じません。

缶内の液体と気体の推進剤の混合物は、液体の蒸気圧と呼ばれる一定の圧力を維持します。ペイロードがなくなると、推進剤は気化して缶の内部容積を満たします。液体は通常、大気圧下では対応する気体よりも 500 ～ 1000 倍密度が高くなります。缶内の圧力が高くなっても、ペイロードを排出して蒸気に置き換えるには、缶の容積のごく一部を推進剤にするだけで済みます。

液体の推進剤を気体に蒸発させるには、システムを冷却するエネルギー、つまり蒸発エンタルピーが必要です。これは通常、重要ではありませんが、頻繁に使用すると望ましくない影響になることがあります (システムが冷却されると、推進剤の蒸気圧が低下します)。ただし、凍結スプレーの場合、この冷却が望ましい効果に寄与します (ただし、凍結スプレーには、クロロエタンなど、蒸気圧は推進剤より低いが蒸発エンタルピーは高い他の成分も含まれる場合があります)。

クロロフルオロカーボン（CFC）はかつて噴射剤としてよく使用されていましたが^{[7] 、1989年に}モントリオール議定書が発効して以来、CFCが地球のオゾン層に及ぼす悪影響のため、ほぼすべての国で置き換えられています。CFCの最も一般的な代替品は、揮発性炭化水素の混合物で、通常はプロパン、n-ブタン、イソブタンです。^[8] ジメチルエーテル（DME）とメチルエチルエーテルも使用されます。これらはすべて可燃性であるという欠点があります。亜酸化窒素と二酸化炭素も、食品（ホイップクリームやクッキングスプレーなど）を噴射するための噴射剤として使用されます。喘息吸入器などの医療用エアロゾルには、ハイドロフルオロアルカン（HFA）が使用されています。HFA 134a（1,1,1,2-テトラフルオロエタン）またはHFA 227（1,1,1,2,3,3,3-ヘプタフルオロプロパン）のいずれか、またはこれら2つの組み合わせです。最近では、比較的低い蒸気圧、低い地球温暖化係数（GWP）、および不燃性のため、液体ハイドロフルオロオレフィン（HFO）推進剤がエアロゾルシステムに広く採用されるようになりました。^[9]

液化ガス推進剤の実用性により、さまざまなペイロードが可能になります。液体がスプレーとして噴射されるエアロゾル スプレーには、塗料、潤滑剤、脱脂剤、保護コーティング、消臭剤やその他のパーソナル ケア製品、調理油などがあります。ホイップ クリームやシェービングクリーム、シェービング ジェルなど、一部の液体ペイロードは、推進剤の圧力が低い、またはペイロードが粘性があるためにスプレーされません。 BB ガン、ペイントボールガン、エアソフトガンなどの低出力の銃には、固体の発射体ペイロードがあります。ガス ダスター(「缶入りエア」)の場合、ペイロードは推進剤蒸気自体の速度だけであるというユニークな点があります。

• カートリッジ（銃器）
• 爆発物
• 燃料
• 推進剤貯蔵庫
• 宇宙船の推進
• 比推力

• クラーク、ジョン・D. (1972)。『点火! 液体ロケット推進剤の非公式な歴史』ラトガース大学出版局。ISBN 0-8135-0725-1。

ウィキメディア・コモンズには、推進剤に関連するメディアがあります。

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• ロケット推進剤
• ロケット推進要素、サットン、ジョージ P、ビブラーズ、オスカー第 7 版
• 砲身の腐食の理解と予測 - 国防科学技術機構兵器システム部門、Ian A. Johnston 著、Wayback Machineで 2013-07-10 にアーカイブ