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ロケット（イタリア語のrocchetto 、文字通り「ボビン/スプール」に由来し、その形状からその名がついた）[ nb 1 ] [ 1 ]は、周囲の空気を使わずにロケットエンジンで加速する細長い飛行体である。ロケットエンジンは、高速で噴射される排気ガスの反作用によって推力を発生させる。 [ 2 ]ジェットエンジンとは異なり、ロケットは搭載している推進剤のみで燃料を供給し、空気中の酸素を必要としない。そのため、ロケットは宇宙の真空中でも飛行でき、実際、ロケットエンジンは大気圏外の方が効率的に作動する。
多段式ロケットは地球からの脱出速度に達することができ、したがって無限の最大高度を達成できます。空気吸入式エンジンと比較して、ロケットは軽量かつ強力で、大きな加速度を生み出すことができます。ロケットは飛行を制御するために、運動量、翼型、補助反動エンジン、ジンバル式推力、運動量ホイール、排気流の偏向、推進剤の流れ、回転などを利用するか、あるいは重力の影響下で弾道軌道を描いて飛行します。
軍事用および娯楽用のロケットは、少なくとも13世紀の中国にまで遡ります。[ 3 ]重要な科学的、惑星間、産業用途は20世紀まで行われず、ロケット技術は月面着陸を含む宇宙時代の基盤技術となりました。現在、ロケットは花火、ミサイルやその他の兵器、射出座席、人工衛星の打ち上げロケット、有人宇宙飛行、宇宙探査などに使用されています。
化学ロケットは最も一般的な高出力ロケットであり、通常は燃料と酸化剤の燃焼によって高速の排気ガスを発生させます。貯蔵される推進剤は、単純な加圧ガス、触媒の存在下で解離する単一の液体燃料（単一推進剤）、接触すると自発的に反応する2種類の液体（自己着火性推進剤）、反応させるために点火が必要な2種類の液体（ほとんどの液体推進剤ロケットで使用される灯油（RP1）と液体酸素など）、燃料と酸化剤の固体混合物（固体燃料）、または固体燃料と液体もしくは気体の酸化剤（ハイブリッド推進剤システム）などがあります。化学ロケットは大量のエネルギーを容易に放出できる形で貯蔵するため、事故が発生した場合の結果は深刻なものとなる可能性があります。
「ロケット」という用語は、小型の花火にも使用され、それについては「ロケット（花火）」という記事で取り上げられています。
火薬を動力とするロケットは、13 世紀までに宋王朝下の中国で発展しました。この時期には、初期の多連装ロケットランチャーも開発されました。モンゴル人は中国のロケット技術を採用し、この発明は 13 世紀半ばにモンゴルの侵略を通じて中東やヨーロッパに広まりました。[ 4 ]ジョセフ・ニーダムによると、宋の海軍は1245 年の軍事演習でロケットを使用しました。内燃ロケット推進については、1264 年の記録に言及されており、皇帝の息子である李宗が皇后公生のために開いた宴で、花火の一種である「地鼠」が皇后公生を怖がらせたと記されています。[ 5 ]その後、ロケットは、 14 世紀半ばに中国の砲兵将校である焦瑜によって書かれた軍事書『火龍経』、別名『火竜の手引書』にも含まれています。このテキストには、中国海軍が使用したと考えられている、既知の最初の多段式ロケットである「水面から噴出する火龍」（ Huo long chu shui）について言及されている。 [ 6 ]
中世および近世初期のロケットは、包囲戦における焼夷兵器として軍事的に使用された。1270年から1280年の間に、ハサン・アル・ラマは『アル・フルシヤ・ワ・アル・マナシブ・アル・ハルビヤ』（軍事乗馬術と巧妙な戦争装置の書）を著し、その中に107の火薬レシピが含まれており、そのうち22はロケット用であった。[ 7 ] [ 8 ]ヨーロッパでは、ロジャー・ベーコンが1267年の『オプス・マユス』で世界各地で作られた爆竹について言及している。1280年から1300年の間に、『リベル・イグニウム』（火の書）は、二次的な記録に基づいて爆竹に似た装置を作るための指示を与えた。[ 9 ]コンラート・カイザーは1405年頃、軍事論文『ベリフォルティス』の中でロケットについて記述した。 [ 10 ]パドヴァの技術者ジョヴァンニ・フォンタナは1420年にロケット推進式の動物像を製作した。[ 11 ] [ 12 ]
「ロケット」という名前は、イタリア語のrocchettaに由来し、「ボビン」または「小さな紡錘」を意味します。これは、紡ぎ車から糸を巻き取るのに使われるボビンやスプールと形が似ていることから名付けられました。レオンハルト・フロンスペルガーとコンラート・ハースは、16 世紀半ばにこのイタリア語をドイツ語に取り入れました。「ロケット」は 17 世紀初頭までに英語に登場しました。[ 1 ]カジミール・シエミエノヴィチによるロケット砲に関する重要な近世初期の著作であるArtis Magnae Artilleriae pars prima は、 1650 年にアムステルダムで初めて印刷されました。
マイソールロケットは、18世紀後半にハイダル・アリーの統治下にあったマイソール王国（現在のインドの一部）で開発された、最初の成功した鉄製外殻ロケットである。[ 13 ]
コングリーブロケットは、1804年にウィリアム・コングリーブ卿によって設計・開発されたイギリスの兵器である。このロケットは、マイソールロケットを直接ベースにしており、圧縮火薬を使用し、ナポレオン戦争で実戦投入された。フランシス・スコット・キーが1814年にマクヘンリー砦を包囲していたイギリス船で捕虜となっていた際に「ロケットの赤い閃光」について書いたのは、コングリーブロケットのことだった。[ 14 ]マイソールとイギリスの革新技術が合わさって、軍用ロケットの有効射程は100ヤードから2,000ヤード（91メートルから1,829メートル）に伸びた。
ロケット推進の力学に関する最初の数学的研究は、ウィリアム・ムーア（1813年）によるものです。1814年、コングリーブは多連装ロケット発射装置の使用について論じた本を出版しました。[ 15 ] [ 16 ] 1815年、アレクサンドル・ドミトリエヴィチ・ザシャドコは、ロケットを斉射（一度に6発）できるロケット発射台と砲架装置を製作しました。1844年、ウィリアム・ヘイルはロケット砲の精度を大幅に向上させました。1865年、エドワード・ムニエ・ボクサーはコングリーブ・ロケットをさらに改良しました。
ウィリアム・レイチは、1861年にロケットを使って有人宇宙飛行を実現するという概念を初めて提唱した。レイチのロケット宇宙飛行に関する記述は、1861年のエッセイ「宇宙旅行」で初めて発表された。このエッセイは、同年エジンバラの雑誌に掲載された後、彼の著書「天上の神の栄光」 （1862年）に収録された。[ 17 ] [ 18 ]コンスタンチン・ツィオルコフスキーも後に（1903年に）このアイデアを思いつき、その後の宇宙飛行開発の基礎となる理論体系を幅広く発展させた。
イギリス空軍は第一次世界大戦中に誘導ロケットを設計した。アーチボルド・ロウは「…1917年に実験工場は電気誘導ロケットを設計した…ロケット実験はブロック司令官の協力を得て私自身の特許の下で行われた」と述べている。[ 19 ]特許「ロケットの改良」は1918年7月に取得されたが、セキュリティ上の理由から1923年2月まで公開されなかった。発射と誘導の制御は有線または無線で行うことができた。推進と誘導ロケットの噴出物は、先端の偏向カウルから噴出した。
1920 年、クラーク大学のロバート・ゴダード教授は、ロケット技術の改良案を『極限高度に到達する方法』で発表した。[ 20 ] 1923 年、ヘルマン・オーベルト(1894–1989) は『惑星空間へのロケット』を出版した。現代のロケットは、1926 年にゴダードが超音速(ド・ラバル) ノズルを高圧燃焼室に取り付けたことから始まった。これらのノズルは、燃焼室からの高温ガスをより低温で極超音速の、高度に指向されたガスのジェットに変え、推力を 2 倍以上にし、エンジンの効率を 2% から 64% に向上させた。[ 20 ]彼が火薬の代わりに液体推進剤を使用したことで、ロケットの重量が大幅に軽減され、効率が向上した。
1921年、ソ連の研究開発研究所であるガスダイナミクス研究所は固体燃料ロケットの開発を開始し、1928年に最初の打ち上げが行われ、約1,300メートル飛行しました。[ 21 ]これらのロケットは1931年に、航空機のジェット補助離陸にロケットを世界で初めて成功裏に使用し[ 22 ] 、第二次世界大戦中に使用されたカチューシャロケットランチャーのプロトタイプとなりました。[ 23 ]
1929年、フリッツ・ラング監督のドイツSF映画『月世界の女』が公開された。この映画は多段式ロケットの使用を実演し、ロケット発射台（ロケットをゆっくりと所定の位置まで転がして、発射前に高層ビルに立てかける）やロケット発射カウントダウン時計の概念を先駆的に導入した。[ 24 ] [ 25 ]ガーディアン紙の映画評論家スティーブン・アームストロングは、ラングが「ロケット産業を創り出した」と述べている。[ 24 ]ラングは、1923年に出版されたヘルマン・オーベルトの著書『惑星間空間へのロケット』に触発された。オーベルトはこの映画の科学顧問となり、後にV-2ロケット開発チームの重要な人物となった。[ 26 ]この映画はあまりにも現実的だったため、ナチスが政権を握った際に、V-2ロケットの秘密が暴露されることを恐れて上映禁止となった。[ 27 ]
1943年、ドイツでV-2ロケットの生産が始まった。これは、ヴェルナー・フォン・ブラウンが技術責任者を務めたペーネミュンデ陸軍研究センターによって設計された。 [ 28 ] V-2は、1944年6月20日にMW 18014が垂直に打ち上げられ、カルマン線を越えて宇宙へ旅立った最初の人工物体となった。 [ 29 ]ロンドンの科学博物館の宇宙史家であり宇宙技術のキュレーターであるダグ・ミラードは、メイン展示ホールにV-2が展示されているが、次のように述べている。「V-2は技術革新の飛躍でした。私たちはV-2技術を使って月に到達しましたが、これは特に悲惨なものも含め、莫大な資源を使って開発された技術でした。V-2計画は人命の面で非常に高くつき、ナチスはこれらのロケットを製造するために奴隷労働を使っていました。」[ 30 ]ドイツの誘導ミサイル計画と並行して、ロケットは航空機にも使用され、水平離陸（RATO）、垂直離陸（バッヘム Ba 349 "ナッター"）、または動力源（Me 163、ドイツの第二次世界大戦時の誘導ミサイル一覧を参照）として使用されました。連合国のロケット計画は技術的には劣っており、主にソ連のカチューシャロケットのような無誘導ミサイルを砲兵の役割で、またアメリカの対戦車バズーカ砲弾に頼っていました。これらは固体化学推進剤を使用していました。
アメリカ軍は1945年にヴェルナー・フォン・ブラウンを含む多数のドイツ人ロケット科学者を捕らえ、ペーパークリップ作戦の一環としてアメリカに連行した。第二次世界大戦後、科学者たちはロケットを用いて、大気の温度と圧力の無線遠隔測定、宇宙線の検出、その他の技術によって高高度の状況を研究した。また、音速の壁を突破した最初の有人宇宙船であるベルX-1 （1947年）にも注目すべきである。ソビエト連邦では、主任設計者セルゲイ・コロリョフ（1907年～1966年）の指導の下、独自に 宇宙開発計画の研究が続けられた。
冷戦期には、近代的な大陸間弾道ミサイル（ICBM）の開発に伴い、ロケットは軍事的に極めて重要な役割を担うようになった。1960年代には、特にソ連（ボストーク、ソユーズ、プロトン）と米国（X-15など）でロケット技術が急速に発展した。ロケットは宇宙探査にも利用されるようになった。米国の有人宇宙計画（マーキュリー計画、ジェミニ計画、そして後のアポロ計画）は、1969年にサターンVロケットで打ち上げられた機器を用いて人類初の 月面着陸を成功させ、頂点に達した。
ロケットは、垂直に打ち上げる典型的な細長い「ロケット」の形状で作られることが多いが、実際には次のようなさまざまなタイプのロケットがある。[ 31 ]
ロケットの設計は、黒色火薬を詰めた厚紙の筒のように単純なものもあるが、効率的で正確なロケットやミサイルを作るには、多くの困難な問題を克服する必要がある。主な困難としては、燃焼室の冷却、燃料のポンプ輸送（液体燃料の場合）、運動方向の制御と修正などが挙げられる。[ 36 ]
ロケットは、推進剤、推進剤を入れる場所（推進剤タンクなど）、およびノズルから構成されます。また、1つ以上のロケットエンジン、方向安定化装置（推力偏向用のフィン、バーニアエンジン、エンジンジンバル、ジャイロスコープなど）、およびこれらのコンポーネントを一緒に保持する構造（通常はモノコック）を備えている場合もあります。高速大気圏使用を目的としたロケットには、通常ペイロードを保持するノーズコーンなどの空力フェアリングも備わっています。 [ 37 ]
ロケットにはこれらの構成要素の他に、翼（ロケットプレーン）、パラシュート、車輪（ロケットカー）、さらにはある意味では人間（ロケットベルト）など、数多くの構成要素が備わっている。乗り物には、衛星航法や慣性航法システムなどを利用した航法システムや誘導システムが搭載されていることが多い。
ロケットエンジンはジェット推進の原理を利用しています。[ 2 ]ロケットを推進するロケットエンジンにはさまざまな種類があり、その包括的なリストはメイン記事「ロケットエンジン」に記載されています。現在のロケットのほとんどは化学推進ロケット（通常は内燃機関、[ 38 ]ですが、一部は分解する単一推進剤を使用しています）で、高温の排気ガスを放出します。ロケットエンジンは、ガス推進剤、固体推進剤、液体推進剤、または固体と液体のハイブリッド混合物を使用できます。一部のロケットは、蒸気ロケット、太陽熱ロケット、核熱ロケットエンジン、または水ロケットや冷ガススラスタなどの単純な加圧ロケットのように、推進剤の化学反応以外の供給源から供給される熱または圧力を使用します。燃焼推進剤では、燃焼室内で燃料と酸化剤の間で化学反応が開始され、発生した高温ガスがロケットエンジンのノズル（または複数のノズル）からロケットの後端に向かって加速して噴射されます。エンジン内でこれらのガスが加速されることで、燃焼室とノズルに力（「推力」）が加わり、ロケットが推進されます（ニュートンの第三法則による）。これは実際には、燃焼室の壁にかかる力（圧力×面積）がノズル開口部によって不均衡になるために起こります。他の方向ではこのような不均衡は発生しません。ノズルの形状も、排気ガスをロケットの軸に沿って方向付けることで力を発生させます。[ 2 ]
ロケット推進剤とは、推進力を生み出すために流体ジェットの形でロケットエンジンから噴射される推進質量として使用される前に、通常は何らかの推進剤タンクまたはケーシングに貯蔵される質量のことである。[ 2 ]化学ロケットの場合、推進剤は液体水素や灯油などの燃料であり、液体酸素や硝酸などの酸化剤と燃焼させて大量の非常に高温のガスを生成する。酸化剤は別々に保管され、燃焼室で混合されるか、固体ロケットのようにあらかじめ混合されている。
推進剤は燃焼されない場合もあるが、それでも化学反応を起こし、ヒドラジン、亜酸化窒素、過酸化水素などの「単一推進剤」である場合もある。これらは触媒によって分解され、高温ガスになる。
あるいは、蒸気ロケット、太陽熱ロケット、核熱ロケットのように、外部から加熱できる不活性推進剤を使用することもできる。[ 2 ]
姿勢制御スラスタなど、高性能があまり必要とされない小型で低性能のロケットでは、加圧された流体が推進剤として使用され、推進ノズルを通して宇宙船から単純に噴射される。[ 2 ]
ロバート・H・ゴダードが製作した最初の液体燃料ロケットは、現代のロケットとは大きく異なっていた。ロケットエンジンはロケットの上部に、燃料タンクはロケットの下部に配置されていた[ 39 ]。これは、ロケットが飛行中に振り子のようにエンジンから「ぶら下がる」ことで安定性を得るというゴダードの考えに基づいていた[ 40 ] 。しかし、ロケットは軌道を外れ、発射地点から184フィート（56メートル）離れた地点で墜落した[ 41 ]。これは、ロケットエンジンが底部にあるロケットと比べて安定性が劣っていたことを示している[ 42 ] 。
ロケットや、推進剤を搭載したその他の類似の反応装置は、宇宙空間のように、推進力として利用できる他の物質（陸地、水、空気）や力（重力、磁力、光）が存在しない場合に使用しなければならない。このような状況では、使用する推進剤をすべて搭載する必要がある。
しかし、それらは他の状況でも役立ちます。
軍事兵器の中には、ロケットを使って弾頭を目標まで推進させるものがあります。ロケットとそのペイロードは、誘導システムを備えている場合は一般的にミサイルと呼ばれ（ミサイルの中にはロケットエンジンを使用するものはなく、ジェットエンジンなどの他のエンジンを使用するものもあります） 、誘導システムを備えていない場合はロケットと呼ばれます。対戦車ミサイルや対空ミサイルは、ロケットエンジンを使って数マイルの距離から高速で目標を攻撃しますが、大陸間弾道ミサイルは数千マイル離れた場所から複数の核弾頭を運搬することができ、弾道ミサイル迎撃ミサイルはそれらを阻止しようとします。ロケットは偵察にも使用され、例えばピンポンロケットは敵目標を監視するために発射されましたが、偵察用ロケットは軍事的に広く使用されることはありませんでした。
観測ロケットは、地球表面から50キロメートル（31マイル）から1,500キロメートル（930マイル）上空で観測を行う機器を搭載するためによく使用されます。 [ 43 ]宇宙から地球を初めて撮影した画像は、 1946年のV-2ロケット（第13飛行）によって得られました。[ 44 ]
ロケットエンジンは、ロケットそりをレールに沿って非常に高速で推進するためにも使用されます。この世界記録はマッハ8.5です。[ 45 ]
大型ロケットは通常、点火後数秒間安定した支持を提供する発射台から打ち上げられます。ロケットは、2,500～4,500 m/s (9,000～16,200 km/h、5,600～10,100 mph)という高い排気速度のため、約7,800 m/s (28,000 km/h、17,000 mph)の軌道速度など、非常に高速が必要な場合に特に役立ちます。軌道に投入された宇宙船は人工衛星となり、多くの商業目的で使用されます。実際、ロケットは宇宙船を軌道上やその先へ打ち上げる唯一の方法です。 [ 46 ]また、軌道変更時や着陸のために軌道離脱する際に、宇宙船を急速に加速するためにも使用されます。さらに、ロケットは着陸直前に硬いパラシュート着陸を緩和するためにも使用されることがあります (逆噴射ロケットを参照)。
ロケットは、遭難した船舶にロープを送り込み、救命ブイを使って乗員を救助するために使用された。ロケットは緊急用照明弾の発射にも使用される。
サターンV [ 47 ]やソユーズ[ 48 ]などの一部の有人ロケットには、緊急脱出システムが搭載されています。これは小型の固体ロケットで、有人カプセルをメインの機体から安全な場所へ瞬時に引き離すことができます。これらのシステムは、試験と飛行の両方で何度も運用されており、毎回正しく作動しています。
これは、ソ連の月ロケットN1の4回の打ち上げ失敗のうち3回（3L、5L、7L ）で、安全保証システム（ソ連の用語）がL3カプセルを正常に引き離したケースである。3回とも、無人ではあったがカプセルは破壊を免れた。前述の3機のN1ロケットのみが機能的な安全保証システムを備えていた。残りの6Lはダミーの上段を備えていたため脱出システムがなく、N1ブースターは打ち上げ失敗からの脱出成功率が100%であった。[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]
有人カプセルの脱出に成功した事例は、サリュート7宇宙ステーションへのミッション中のソユーズT-10が発射台で爆発した際に発生した。[ 53 ]
固体ロケット推進式射出座席は、飛行制御が失われた際に乗員を機体から安全な場所へ射出するために、多くの軍用機で使用されている。[ 54 ]
模型ロケットとは、低高度（例えば、30グラムの模型で100～500メートル）に到達し、様々な方法で回収できるように設計された小型ロケットのことです。
米国ロケット協会（NAR）の安全規定[ 55 ]によると、模型ロケットは紙、木材、プラスチック、その他の軽量材料で作られています。この規定には、モーターの使用、発射場所の選択、発射方法、発射装置の配置、回収システムの設計と展開などに関するガイドラインも含まれています。1960年代初頭から、模型ロケット安全規定のコピーは、ほとんどの模型ロケットキットとモーターに付属しています。極めて可燃性の高い物質や先端が尖った物体が高速で移動するという性質にもかかわらず、模型ロケットは歴史的に非常に安全な趣味であることが証明されており[ 56 ] [ 57 ] 、将来科学者やエンジニアになる子供たちにとって重要なインスピレーションの源泉として評価されています。[ 58 ]
趣味でロケットを製作・飛行させる人は、多種多様なモデルロケットを製作・飛行させています。多くの企業がモデルロケットのキットや部品を製造していますが、その構造の単純さゆえに、趣味でロケットを作る人は、ありとあらゆるものを使ってロケットを製作することで知られています。ロケットは、一部の家庭用および業務用花火にも使用されています。水ロケットは、反応物質として水を使用するモデルロケットの一種です。圧力容器（ロケットのエンジン）は、通常、使用済みのペットボトルです。水は、圧縮空気などの加圧ガスによって押し出されます。これは、ニュートンの運動第三法則の一例です。
アマチュアロケットの規模は、自分の裏庭で打ち上げる小型ロケットから宇宙に到達したロケットまで多岐にわたる。[ 59 ]アマチュアロケットは、エンジンの総推力に応じて、低出力、中出力、高出力の3つのカテゴリーに分けられる。
過酸化水素ロケットはジェットパックの動力源として使用され[ 60 ]、自動車の動力源としても使用されており、ロケットカーは（非公式ながら）史上最速のドラッグレース記録を保持している[ 61 ]。
コーピュレント・スタンプは、英国でエアロテックエンジンを使用して打ち上げられた非商用ロケットの中で最も強力なロケットである。[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]
軌道宇宙飛行、あるいは惑星間空間への打ち上げは、通常は地上の固定された場所から行われるが、航空機や船舶からの打ち上げも可能である。
ロケット打ち上げ技術には、ロケット本体だけでなく、発射管制システム、ミッションコントロールセンター、発射台、地上局、追跡局など、打ち上げや回収、あるいはその両方を成功させるために必要なシステム全体が含まれます。これらはまとめて「地上セグメント」と呼ばれることがよくあります。
軌道投入ロケットは通常、垂直に打ち上げられ、その後徐々に傾き始め、通常は重力旋回軌道を描きます。
大気圏の大部分を越えると、機体はロケット噴射口の角度を変え、ほぼ水平方向だがやや下向きに噴射口を向けます。これにより、機体は高度を上げ、水平速度を増しながらその高度を維持します。速度が増すにつれて機体はますます水平になり、軌道速度に達するとエンジンは停止します。
現在のすべてのロケットは、軌道投入の途中で複数の部品を分離するステージング方式を採用している。ステージングなしで軌道に到達できるロケットも提案されているが、実際に建造されたものはなく、ロケットのみで推進する場合、燃料需要が指数関数的に増加するため、搭載可能なペイロードはごくわずか、あるいは皆無となる。現在および過去のほとんどのロケットは、分離した部品を「消費」しており、通常は海に墜落させているが、パラシュート降下や推進着陸によって分離部品を回収し再利用しているものもある。
宇宙船を軌道に打ち上げるとき、「ドッグレッグとは、上昇段階中に誘導され動力を駆使して行われる旋回で、ロケットの飛行経路が「直線」経路から逸れる原因となる。ドッグレッグは、所望の軌道傾斜角に到達するための所望の発射方位角が、地上の軌道を陸地（または人口密集地、例えばロシアは通常、陸地から発射するが、人口密集地ではない）上を通る場合、またはロケットが発射地点の緯度に達しない軌道面に到達しようとしている場合に必要となる。ドッグレッグは、搭載燃料の増加、重量増加、および機体性能の低下を引き起こすため、望ましくない。 [ 65 ] [ 66 ]
ロケットの排気は、かなりの量の音響エネルギーを発生させます。超音速の排気が周囲の空気と衝突すると、衝撃波が発生します。これらの衝撃波による音の強さは、ロケットの大きさと排気速度に依存します。大型で高性能なロケットの音の強さは、近距離では致命的になる可能性があります。[ 67 ]
スペースシャトルは、その基部周辺で180 dB の騒音を発生させた。[ 68 ]これに対処するため、NASA は、発射台に毎分 900,000 ガロン (57 m 3 /s) の水を流すことができる音響抑制システムを開発した。水によって騒音レベルは 180 dB から 142 dB まで低下する (設計要件は 145 dB )。[ 69 ]音響抑制システムがなければ、音波は発射台からロケットに向かって反射し、繊細なペイロードと乗組員を振動させる。これらの音波は非常に激しく、ロケットを損傷または破壊する可能性がある。
ロケットが地上に近いとき、エンジンの騒音はジェットから上方に放射されるだけでなく、地面で反射するため、一般的に騒音は最も激しくなります。この騒音は、屋根付きの火炎溝、ジェットの周囲への水の噴射、ジェットを斜めに偏向させることで、ある程度軽減できます。[ 67 ]
有人ロケットでは、乗客の騒音を軽減するためにさまざまな方法が用いられており、一般的には宇宙飛行士をロケットエンジンから遠く離れた場所に配置することが大きな効果を発揮する。乗客と乗員にとって、機体が超音速になると音波が機体の速度に追いつけなくなるため、音は途切れる。[ 67 ]
ロケットエンジンにおける推進剤の燃焼は、燃料に蓄えられた化学エネルギーを利用して、発生するガスの内部エネルギーを増加させます。内部エネルギーが増加すると圧力も上昇し、ノズルはこのエネルギーを方向性のある運動エネルギーに変換します。これにより、ガスが放出される周囲環境に対して推力が発生します。排気の理想的な方向は、推力を発生させる方向です。燃焼室の上端では、高温で高エネルギーのガス流体は前方に移動できないため、ロケットエンジンの燃焼室の上部に対して上向きに押し上げられます。燃焼ガスが燃焼室の出口に近づくと、速度が増加します。ロケットエンジンのノズルの収束部が高圧の燃焼ガス流体に及ぼす影響は、ガスを高速に加速させることです。ガスの速度が速いほど、燃焼室のその部分に作用するガスの圧力は低くなります（ベルヌーイの原理またはエネルギー保存の法則）。適切に設計されたエンジンでは、流れはノズルの喉部でマッハ 1 に達します。この時点で流れの速度は増加します。ノズルの喉部より先では、エンジンのベル型の膨張部により、膨張するガスがロケットエンジンのその部分に押し付けられます。したがって、ノズルのベル部分は追加の推力を生み出します。簡単に言うと、ニュートンの第三法則に従って、すべての作用には等しく反対の反作用があり、その結果、噴出するガスはロケットに力の反作用を生み出し、ロケットを加速させます。[ 70 ] [ nb 2 ]
密閉されたチャンバー内では、圧力はどの方向にも均等に分布しており、加速は発生しません。チャンバー底部に開口部を設けると、開口部のある部分には圧力が作用しなくなります。この開口部から排気ガスが排出されます。残った圧力は開口部の反対側に推力を生み出し、この推力がロケットを推進する力となります。
ノズルの形状は重要です。先細りのノズルから出る空気で推進される風船を考えてみましょう。このような場合、空気圧と粘性摩擦の組み合わせにより、ノズルは風船を押すのではなく、風船に引っ張られます。[ 72 ]収束/発散ノズルを使用すると、排気が外側に膨張する際にもノズルに圧力がかかるため、より大きな力が得られ、全体の力がほぼ2倍になります。推進ガスが燃焼室に連続的に供給される場合、推進剤が残っている限りこれらの圧力を維持できます。液体推進エンジンの場合、推進剤を燃焼室に送り込むポンプは、燃焼室よりも大きな圧力（通常は100気圧程度）を維持する必要があることに注意してください。[ 2 ]
副次的な効果として、ロケットにかかるこれらの圧力は逆方向にも排気に作用し、この排気を非常に高速に加速します（ニュートンの第三法則による）。[ 2 ]運動量保存の法則から、ロケットの排気の速度は、一定量の推進剤に対してどれだけの運動量増加が生じるかを決定します。これはロケットの比推力と呼ばれます。[ 2 ]外部からの摂動がない状態で飛行中のロケット、推進剤、排気は閉鎖系とみなせるため、総運動量は常に一定です。したがって、一方向への排気の正味速度が速いほど、反対方向へのロケットの速度は大きくなります。これは、ロケット本体の質量が最終的な総排気質量よりもはるかに小さいことが一般的であるため、特に当てはまります。
ロケットにかかる力の一般的な研究は、弾道学の分野の一部である。宇宙船については、さらに宇宙力学という下位分野で研究される。
飛行するロケットは主に以下の影響を受けます。[ 73 ]
さらに、ロケットが天体の中心を周回する軌道のため、慣性力と遠心力による擬似的な力が大きくなる可能性があります。適切な方向と高度で十分な速度に達すると、安定した軌道または脱出速度が得られます。
これらの力は、安定化尾部（尾翼）が存在する場合、意図的な制御が行われない限り、車両を重力旋回と呼ばれるほぼ放物線軌道に自然に導き、この軌道は、少なくとも打ち上げの初期段階ではよく使用されます。（これは、ロケットエンジンが機首に搭載されている場合でも同様です。）したがって、車両は低い、あるいはゼロの迎角を維持することができ、これにより打ち上げ車両にかかる横方向の応力が最小限に抑えられ、より弱く、したがってより軽い打ち上げ車両が可能になります。[ 74 ] [ 75 ]
抗力とは、ロケットが移動する空気の流れに対して、ロケットの進行方向とは逆向きに働く力のことです。この抗力によってロケットの速度は低下し、構造的な負荷が生じます。高速で移動するロケットの減速力は、抗力方程式を用いて計算されます。
空気抵抗は、空力特性に優れたノーズコーンを採用し、弾道係数の高い形状（いわゆる「古典的な」ロケット形状、つまり細長い形状）を使用し、ロケットの迎角をできるだけ低く保つことによって最小限に抑えることができる。
打ち上げ中、機体の速度が上昇し、大気が薄くなると、最大空気抵抗点（max Qと呼ばれる）が生じます。ロケットはこれらの力の下で座屈しないようにする必要があるため、この点が機体の最小空気抵抗強度を決定します。[ 76 ]
一般的なロケットエンジンは、毎秒、自身の質量のかなりの割合の推進剤を処理でき、推進剤は毎秒数キロメートルの速度でノズルから噴射されます。これは、ロケットエンジン、そして多くの場合、機体全体の推力重量比が非常に高くなり、極端な場合には 100 を超える可能性があることを意味します。これは、より優れたエンジンの一部で 5 を超えることができる他のジェット推進エンジンと比較されます[ 77 ]。[ 78 ]
ロケットの正味推力は
どこ
有効排気速度排気速度は、おおよそ排気が機体から排出される速度であり、宇宙空間の真空状態では、有効排気速度は推力軸に沿った実際の平均排気速度とほぼ等しくなります。ただし、有効排気速度は様々な損失を考慮したものであり、特に大気中で作動する場合は低下します。
ロケットエンジンの推進剤流量は、推力、ひいては機体の対気速度を制御するために、飛行中に意図的に変化することが多い。これにより、例えば空力損失を最小限に抑えることができ[ 76 ] 、推進剤負荷の減少によるGフォースの増加を制限できる。
インパルスとは、物体に時間とともに作用する力であり、反対の力（重力と空気抵抗）がない場合、物体の運動量（質量と速度の積分）を変化させる力として定義されます。そのため、ロケットの性能クラス（ペイロード質量と終端速度能力）を示す指標としては、離陸推力、質量、あるいは「パワー」よりもインパルスの方が優れています。推進剤を燃焼させるロケット（段）の総インパルスは、[ 2 ] : 27です。
推力が一定の場合、これは単純に次のようになります。
多段式ロケットの総推力は、各段の推力の合計である。
推力方程式からわかるように、排気の有効速度は、1秒間に燃焼される特定の量の燃料から発生する推力の量を制御する。
同等の尺度として、噴射された推進剤の重量単位あたりの正味の推力は、比推力と呼ばれます。これはロケットの性能を表す最も重要な数値の一つです。有効排気速度との関係は次のように定義されます。
どこ：
したがって、比推力が大きいほど、エンジンの正味推力と性能は大きくなる。エンジンの試験中に測定することで決定されます。実際には、ロケットの実効排気速度は変動しますが、非常に高い値、約4500m /sに達することがあり、これは海面高度における空気中の音速の約15倍に相当します。
ロケットのデルタV容量とは、外部からの干渉（空気抵抗、重力、その他の力）を受けずにロケットが達成できる理論上の速度変化の総量のことである。
いつが一定であれば、ロケット車両が提供できるデルタvは、ツィオルコフスキーロケット方程式から計算できます。[ 82 ]
どこ：
地球から打ち上げられた単発ロケットがペイロードを搭載する場合、実用的なデルタVは数km/s程度になる。理論上の設計では、デルタVが9km /sを超えるロケットも存在する。
特定の操縦に必要なデルタVも計算できます。例えば、地球表面から低地球軌道へ打ち上げるためのデルタVは約9.7 km/sで、これにより機体は高度約200 kmで横方向の速度が約7.8 km/sになります。この操縦では、空気抵抗、重力抵抗、高度上昇 によって約1.9 km/sの速度が失われます。
比率これは質量比と呼ばれることもあります。
ロケットの質量のほぼすべては推進剤で構成されています。[ 83 ]質量比は、どの「燃焼」においても、ロケットの初期質量と最終質量の比です。[ 84 ]他の条件がすべて同じであれば、質量比が高いほどロケットが軽量で性能が良いことを示しているため、高い質量比は良好な性能にとって望ましいです。これは、スポーツカーで軽量であることが望ましいのと基本的に同じ理由です。
ロケットは、あらゆるタイプのエンジンの中で最も推力重量比が高く、これにより機体の質量比が高くなり、飛行性能が向上します。比率が高いほど、搭載する必要のあるエンジンの質量は少なくなります。これにより、さらに多くの推進剤を搭載することが可能になり、デルタVが大幅に向上します。一方、救助シナリオやレース用のロケットの中には、推進剤とペイロードが比較的少なく、軽量構造のみで済むため、高い加速度を実現できるものもあります。例えば、ソユーズ脱出システムは20gの加速度を生み出すことができます。[ 48 ]
達成可能な質量比は、推進剤の種類、車両が使用するエンジンの設計、構造上の安全マージン、製造技術など、多くの要因に大きく依存する。
質量比が最も高いのは一般的に液体ロケットであり、これらのロケットは通常、高いデルタVが求められる軌道打ち上げ機に使用されます。液体推進剤は一般的に水とほぼ同じ密度を持ち（液体水素と液体メタンは例外ですが）、軽量で低圧のタンクを使用でき、通常は高性能ターボポンプを使用して推進剤を燃焼室に送り込みます。
以下の表には、注目すべき質量分率がいくつか示されています（比較のために一部の航空機も含まれています）。
これまでのところ、軌道投入に必要な速度（デルタV）は、単一のロケットでは達成されていません。これは、推進剤、燃料タンク、構造、誘導装置、バルブ、エンジンなどが、離陸質量の一定割合以上を占めるため、搭載する推進剤だけでは、妥当なペイロードを積載した状態で必要なデルタVを達成できないからです。単段式ロケットによる軌道投入はこれまで実現できていないため、軌道投入ロケットは常に複数段式となっています。
例えば、サターンVロケットの第1段は、上段の重量を支え、質量比約10を達成し、比推力263秒を達成しました。これにより、速度変化（デルタV）は約5.9km /sとなりますが、 すべての損失を考慮した上で軌道投入に必要な速度変化は約9.4km/sです。
この問題は、ロケットが打ち上げ中に余分な重量（通常は空の燃料タンクと関連するエンジン）を切り離す段分け方式によって解決されることが多い。段分け方式には、前の段が分離した後にロケットが点火する直列方式と、ロケットが一緒に燃焼し、燃焼が終わると分離する並列方式がある。[ 90 ]
多段式ロケットで達成可能な最高速度は、理論的には光速によってのみ制限される。しかし、搭載可能なペイロードは必要な段数が増えるごとに幾何級数的に減少する一方、各段に必要な追加速度（デルタV）は単純に加算される。
ニュートンの第二法則によれば、加速度は、車両の、は単純に次のとおりです。
ここで、mは車両の瞬間質量であり、ロケットに作用する正味の力（主に推力だが、空気抵抗やその他の力も影響を与える可能性がある）。
残りの推進剤が減少するにつれて、ロケットは軽くなり、推進剤がなくなるまで加速が増加する傾向があります。これは、速度変化の大部分が、機体が非常に軽くなっている燃焼の終盤に発生することを意味します。[ 2 ]ただし、必要に応じて推力を絞ってこれを相殺または変化させることができます。加速の不連続性は、段が燃焼し終えるときに発生し、多くの場合、新しい段が点火するたびに低い加速から始まります。
機体の質量を低減することで最大加速度を高めることができる。これは通常、燃料搭載量、タンク容量、および関連構造物の削減によって実現されるが、当然ながら航続距離、デルタV、および燃焼時間は短くなる。それでもなお、ロケットが使用される用途によっては、短時間で高い最大加速度が得られることが非常に望ましい場合がある。
車両の最小質量は、最小限の燃料とそれを運ぶ構造を備えたロケットエンジンで構成されます。この場合、ロケットエンジンの推力対重量比[注3 ]が設計可能な最大加速度を制限します。ロケットエンジンは一般的に非常に優れた推力対重量比（ NK-33エンジンでは137、 [ 91 ]固体ロケットの中には1000を超えるものもあります[ 2 ]： 442 ）を持っていることがわかっており、ほとんどすべての高G車両はロケットを使用しているか、使用していました。
ロケットが本来持つ高い加速度は、ロケット機が垂直離陸を可能にする場合が多く、エンジンの適切な誘導と制御によって垂直着陸も可能な場合があることを意味します。これらの動作を行うには、ロケット機のエンジンが局所的な重力加速度以上の加速度を提供する必要があります。
一般的なロケット推進剤のエネルギー密度は、従来の炭化水素燃料の約3分の1程度であり、質量の大部分は（比較的安価なことが多い）酸化剤である。しかしながら、ロケットは離陸時に、機体内部に蓄えられた燃料と酸化剤に膨大なエネルギーを蓄えている。推進剤のエネルギーをできるだけ多く、ロケット本体の運動エネルギーまたは位置エネルギーに変換することが望ましいのは言うまでもない。
燃料からのエネルギーは空気抵抗と重力抵抗によって失われ、ロケットが高度と速度を上げるために利用される。しかし、失われたエネルギーの大部分は排気として排出される。[ 2 ]： 37-38
化学推進装置では、エンジンの効率は排気ガスの運動エネルギーと化学反応から得られるエネルギーの比に等しい。[ 2 ]： 37-38
エンジン内部の効率100%（エンジン効率））は、燃焼生成物の熱エネルギーがすべてジェットの運動エネルギーに変換されることを意味します。これは不可能ですが、ロケットで使用できるほぼ断熱的な高膨張比ノズルは驚くほどそれに近いものです。ノズルがガスを膨張させると、ガスは冷却され加速され、最大 70% のエネルギー効率が達成されます。残りのほとんどは、回収されない排気中の熱エネルギーです。[ 2 ] : 37–38この高い効率は、ロケットの燃焼が非常に高い温度で実行され、ガスが最終的にずっと低い温度で放出されるため、カルノー効率が良好になるという事実の結果です。
しかし、エンジンの効率だけがすべてではありません。他のジェットエンジンと同様に、特にロケットでは、排気速度が高く、通常は一定であるため、エンジンの効率に関係なく、低速ではロケットの効率は非常に悪くなります。問題は、低速では排気によって大量の運動エネルギーが後方に運ばれてしまうことです。この現象は推進効率（). [ 2 ]： 37-38
しかし、速度が上がると、結果として生じる排気速度は低下し、車両全体のエネルギー効率は上昇します。車両が排気ガスの排出速度と全く同じ速度で走行しているとき、エンジン効率は約100%に達し、ピークを迎えます。この場合、排気ガスは理想的には走行中の車両の後方で完全に停止し、エネルギーを一切消費しないため、エネルギー保存の法則により、すべてのエネルギーが車両に取り込まれることになります。その後、さらに高速になると、排気ガスは車両の後方に流れ、前方へと移動するため、効率は再び低下します。
これらの原理から、推進効率が高速で移動するロケットの場合排気速度は：
そして全体的な（瞬間的な）エネルギー効率は：
例えば、方程式から、0.7のロケットが、マッハ0.85（ほとんどの航空機が巡航する速度）で飛行し、排気速度がマッハ10の場合、予測される全体的なエネルギー効率は5.9%ですが、従来の最新の空気吸入式ジェットエンジンは35%近い効率を達成します。したがって、ロケットには約6倍のエネルギーが必要となり、ロケット燃料の比エネルギーが従来の空気燃料の約3分の1であることを考慮すると、同じ距離を飛行するには約18倍の質量の燃料を運ぶ必要があります。これが、ロケットが一般航空にほとんど、あるいは全く使用されない理由です。
エネルギーは最終的に燃料から得られるため、これらの考慮事項は、ICBMや軌道打ち上げなど、非常に高速が必要な場合にロケットが主に役立つことを意味します。たとえば、NASAのスペースシャトルは、100,000 kg の機体（25,000 kgのペイロードを含む）を高度111 km、軌道速度30,000 km /hまで持ち上げるために、約8.5分間エンジンを噴射し、1,000トンの固体推進剤（16%のアルミニウムを含む）と追加の2,000,000 リットルの液体推進剤（106,261 kgの液体水素燃料）を消費しました。この高度と速度では、機体の運動エネルギーは約3 TJ、位置エネルギーは約200 GJでした。初期エネルギーが20 TJであることを考えると、[ nb 4 ]スペースシャトルはオービターの打ち上げにおいて約16%のエネルギー効率であった。
したがって、ジェットエンジンは、速度とジェット排気速度のマッチングが優れている（ターボファンなど、その性能は劣るにもかかわらず）（）亜音速および超音速の大気圏内での使用においては、ロケットが主流である一方、ロケットは極超音速域で最も効果を発揮する。その一方で、ロケットは多くの短距離・低速の軍事用途にも用いられており、低速時の非効率性は極めて高い推力、ひいては高い加速度によって相殺される。
ロケットの微妙な特徴の一つは、エネルギーに関するものです。ロケットの各段は、一定の積載量を搭載しながら、特定のデルタv （速度変化量）を与えることができます。このデルタvとは、初期速度とは無関係に、速度が一定量増加（または減少）することを意味します。しかし、運動エネルギーは速度の二乗に比例するため、噴射前のロケットの速度が速いほど、軌道エネルギーの増減も大きくなるということになります。
この事実は惑星間旅行に利用されています。つまり、ロケットが地球や他の惑星の表面近くで高速飛行しているときにデルタVを加えると、脱出速度に達するために必要なデルタVに加えて、他の惑星に到達するために必要なデルタVの量は大幅に少なくて済むということです。一方、ロケットが高度で減速するまで待つと、目的の軌道を達成するために必要な労力が何倍にも増えてしまいます。
ロケットの信頼性は、他のすべての物理システムと同様に、設計と製造の質に依存する。
ロケット推進剤には膨大な化学エネルギーが含まれているため（重量あたりのエネルギーは爆薬より大きいが、ガソリンよりは低い）、事故の結果は深刻なものになる可能性がある。ほとんどの宇宙ミッションには何らかの問題がある。[ 92 ]例えば、1967年のアポロ1号宇宙船の打ち上げリハーサル中に発生した船内火災により、乗組員3名全員が死亡した。[ 93 ] 1986年、スペースシャトル・チャレンジャー号の事故の後、ロジャース委員会に所属していたアメリカの物理学者リチャード・ファインマンは、シャトルの打ち上げが危険な状態になる確率はおよそ1%であると推定した。[ 94 ]最近では、軌道宇宙飛行における一人当たりの飛行リスクは、約2% [ 95 ]または4%と計算されている。[ 96 ] 2003 年 5 月、宇宙飛行士室は、将来の NASA 有人ミッションにおける乗組員の安全性を向上させる必要性と実現可能性に関する立場を明確にし、「スペース シャトルと比較して、上昇中の人間の生命のリスクを桁違いに低減することは、現在の技術で達成可能であり、ロケットの信頼性を着実に向上させるという NASA の重点目標とも一致する」と表明した。[ 97 ]
ロケットのコストは、おおよそ推進剤のコスト、ロケットの「乾燥質量」の入手および/または製造のコスト、および必要な支援機器と施設のコストに分けられます。[ 98 ]
ロケットの離陸質量の大部分は通常、推進剤です。しかし、推進剤は1キログラムあたりガソリンの数倍を超えることはめったにありません（2009年時点でガソリンは約1ドル/kg [0.45ドル/lb]以下でした）。また、かなりの量が必要ですが、最も安価なロケットを除けば、推進剤のコストは完全に無視できるわけではありませんが、通常は比較的小さいことがわかります。[ 98 ]液体酸素が1キログラムあたり0.15ドル（0.068ドル/lb）、液体水素が1キログラムあたり2.20ドル（1.00ドル/lb）であるため、 2009年のスペースシャトルは、他の費用4億5000万ドルに対し、1回の打ち上げにつき約140万ドルの液体推進剤費用がかかりました（使用された推進剤の質量の40%は外部燃料タンク内の液体、60%はSRB内の固体です）。[ 99 ] [ 100 ] [ 101 ]
ロケットの非推進剤の乾燥質量は総質量のわずか 5〜20% であることが多いが、[ 102 ]それでもこのコストが支配的である。軌道打ち上げ機で使用される性能を持つハードウェアの場合、主に設計、製造、テストによる費用が乾燥重量1 キログラムあたり 2,000 ドル〜 10,000 ドル以上になるのが一般的であり、原材料費は通常、総費用の約 2% である。[ 103 ] [ 104 ]再利用可能なロケット (シャトル エンジン) を除くほとんどのロケットでは、エンジンは数分以上機能する必要がないため、設計が簡素化される。
軌道に到達するロケットの極めて高い性能要件は、重量上の理由から許容される安全係数が限られているにもかかわらず信頼性を確保するための徹底的な品質管理を含め、高コストと相関している。 [ 104 ]個別に機械加工されていない少量生産の部品は、より一般的な製造業に見られるような量産による研究開発費と設備費の償却を妨げる可能性がある。[ 104 ]液体燃料ロケットでは、ハードウェアをどれだけ軽量化する必要があるかによって複雑さが左右される。例えば、加圧式エンジンはポンプ式エンジンよりも部品点数が2桁少ないが、より高いタンク圧力を必要とするため重量が増加する。その結果、小型の姿勢制御スラスタにのみ使用されることが多い。[ 104 ]
軌道打ち上げロケットの前述の要因を変えるために提案された方法には、単純なロケットを大量生産または大規模に生産すること[ 98 ] 、または多くのペイロードにわたって初期費用を償却するために非常に頻繁に飛行することを目的とした再利用可能なロケットを開発すること、または軌道速度の一部（または全部だがほとんどの方法ではロケットの使用を伴う）のために非ロケット宇宙打ち上げシステムを構築することによってロケットの性能要件を削減することなどがある。
支援機器の費用、射場費用、発射台の費用は一般的にロケットのサイズに比例して増加しますが、発射頻度による変動は少ないため、ほぼ固定費とみなすことができます。[ 98 ]
軌道投入以外の用途で使用されるロケット（軍事用ロケットやロケット補助離陸など）は、通常、同等の性能を必要とせず、大量生産される場合もあり、比較的安価であることが多い。
2010年代初頭から、宇宙飛行サービスを取得するための新たな民間オプションが登場し、既存市場に大きな価格圧力をもたらしました。 [ 105 ] [ 106 ] [ 107 ] [ 108 ]
リスト
ロケット工学全般
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レクリエーションロケット
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その他
ロケットは西暦1258年のアラビア文学に登場し、2月15日にモンゴル侵略軍がバグダッド市を占領するためにロケットを使用したことが記述されている。
航空宇宙大手[ボーイング社とロッキード・マーティン社]は昨年、ロケット製造事業から5億ドル近い株式利益を分け合った。当時、同社は国防総省の最も重要な衛星を軌道に乗せる事業を独占していた。しかしそれ以来、「彼らは我々を非常に厳しく管理している」とユナイテッド・ローンチの最高経営責任者であるトリー・ブルーノ氏は語った。
政府の宇宙旅行独占は終わった。
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