ロケットは打ち上げ後どうやって制御するのでしょうか?

ロケット発射装置と打ち上げ用ロケットは、基本的な原理においては全く同じであると以前に述べたが、これに同意しない人も多い。まあ、少なくとも運搬ロケットであれば、自らを制御し、搭載した宇宙船を正確に軌道に乗せることができるはずです。

ロケットを制御する方法を知るには、まずロケットのどの動きを制御する必要があるかを知る必要があります。車と同じように、何のために制御できるのでしょうか?サンルーフを開けたり、音楽を流したり、方向指示器をつけたり、ワイパーをつけたりすることは、車の中核機能ではありません。コア機能は何ですか?スピードを上げて、減速して、左に曲がって、右に曲がって。ミサイルの飛行についても同様です。動きとしては、前、後、左、右が最も基本的です。航空機の場合、車よりも上下の 2 つの方向が多くあります。

上下、左右、前後、これを力学では並進の自由度と呼びます。上下左右前後に自由度はいくつありますか?それは 6 ではなく 3 です。数学的には、下は負の上、右は負の左、後ろは負の前と等しいため、3 つの自由度を使用して記述できます。飛行体を制御する場合、最終的にはこれら 3 つの自由度を制御して、飛行体が適切な位置にあるようにする必要があります。ただし、一般的に言えば、これらの 3 つの自由度を制御するには、ピッチ、ヨー、ロールという他の 3 つの運動の自由度を使用する必要があります。これら 3 つの自由度は回転自由度と呼ばれます。

たとえば、ロケットが軌道を上向きに調整したい場合、通常は最初に頭を上げます。このようにして、一方では、ジェットの方向がより下向きになり、より大きな上向きの力が得られることがわかります。一方、このとき周囲にまだ空気があれば、迎え角も大きくなり、上向きの揚力も大きくなり、上昇していきます。空気を横に吹きかけるだけで、上下左右に動かすことができるのかと聞かれるのですが。もちろん可能ですが、ガソリンの消費量が増え、費用も高くなります。武器に使用するのは非常に良いですが、打ち上げロケットに使用するのは費用対効果が良くありません。ほとんどの打ち上げロケットは、ピッチ、ヨー、ロールの 3 つの方向の回転を制御します。

写真はTuchong.comより

これら 3 方向の回転を制御する方法については、さまざまな方法があります。まず、現代のロケットの祖先であるV-2ミサイルを見てみましょう。 V-2 には 2 つの制御方法があります。 1 つは翼の外側の端にあり、これは偏向可能な空力制御面です。水平方向の舵面が上下に振れるとロケットはピッチングし、2 つの垂直方向の舵面が左右に振れるとロケットは左右にヨーイングします。 2 つの反対の舵が同じ方向に向いていないと、ロケットは転がってしまいます。

空力操縦面というだけあって、空気力学を利用しなければなりません。空気力学によって生成される力は、一般に次の式で求められます。

F=1/2ρv²×C×S.まだ完全に理解する必要はありません。前方の塊は動圧と呼ばれることを知っておくだけで十分です。動圧が大きいほど、空気力は大きくなります。動圧の 2 つの量は、飛行速度と空気密度です。つまり、ロケットの飛行速度が遅すぎたり、ロケットの高度が高すぎて空気が消えてしまったりすると、空気力学も消えてしまいます。飛行速度が遅すぎるのは主に地面を離れたばかりのときに起こりますが、高度が高すぎるのはロケットの場合の標準です。

したがって、V-2 には、ノズルの後ろにある 4 つの部品など、それ自体を制御する別のコンポーネント セットがあります。これら 4 つの部品はガス舵と呼ばれます。これらが偏向すると、エンジンから排出されるガスを偏向させ、制御トルクを生成します。偏向対象物が比較的小さいため、この方法は構造が単純で便利です。しかし、このガス舵はロケットガスの侵食に耐える必要があるため、材料要件は比較的高いですが、制御効率は非常に一般的です。また、ノズルの後ろに立っているだけでは推力損失が発生します。 V-2ミサイルの場合、これらのガス舵の推力損失は約3％から5％です。

東方紅1号衛星を打ち上げた我が国の長征1号ロケットもこのタイプのガス舵を使用しています。制御効率をさらに向上させたい場合は、スイングエンジン、つまりロケットエンジンを直接偏向させて、噴出される炎も偏向させ、この偏向によってロケットを回転させることができます。長征2号からこのタイプのスイングエンジンを使い始めました。その第1段には4つのエンジンがあり、それぞれのエンジンがロケットの接線に沿ってスイングすることができます。上部エンジンと下部エンジンが左右に揺れると、ロケットは左右に揺れます。左右のエンジンが上下に揺れると、ロケットは上下に揺れます。左右や上下の揺れ方向が一定でないと、ロケットは転がってしまうことがあります。

長征2号の第2段には主エンジンが1基だけ搭載されている。どのように制御すればよいでしょうか?実際、長征2号の第二段のメインエンジンは回転しません。代わりに、その周囲に 4 つの小型エンジンが追加され、第 1 ステージと同じルールに従ってスイングできるようになります。これら 4 つの小型エンジンは、ワンダリング エンジン、または略してワンダリング エンジンと呼ばれます。

長征2号の第一段であろうと第二段であろうと、一方向にしか振れません。エンジンが上下左右両方向にスイングできれば、制御しやすくなります。例えば、長征5号と長征7号のコアステージにはエンジンが2つしかありませんが、この2つのエンジンは両方向にスイングできるため、ピッチとヨーの両方を制御できます。 2つのエンジンが差動型であれば、ロールも制御できます。長征7号の第2段には4つのエンジンがあるが、そのうち2つだけがスイングし、残りの2つは直接溶接することができ、これもこの双方向スイング技術に依存している。エンジンのスイングには、それを動かすための作動部品が必ず必要であり、スイング部分が大きく重いほど、作動部品に必要な力も大きくなります。一般的に、同じ条件下では、力が大きくなると重量とサイズが大きくなるため、エンジンの振動部分をできるだけ小さくする必要があります。

そこで、2017年に我が国はポンプのバックスイング技術のテストに成功しました。前回の授業で、液体ロケットエンジンの大部分は燃料ポンプであることがわかりました。以前は、これらの燃料ポンプとその他のものが一緒に振動する必要がありました。いわゆるポンプバックスイングとは、燃料ポンプなどの部品はスイングせず、後ろの部分だけがスイングすることを意味します。この構造はよりコンパクトで、必要なアクチュエータ機構が小さくなり、重量とスペースを大幅に節約できます。名前からわかるように、ポンプフォワードスイングであれ、ポンプバックワードスイングであれ、それは液体ロケットエンジンを指しているに違いありません。なぜなら、前述のように、固体ロケットにはポンプがないからです。固体ロケットの場合、この技術はスイングノズルと呼ばれ、ジェットを噴射するノズルだけがスイングすることを意味します。

近年、我が国では、傑龍や快舟など、操縦性が良くコストが低い固体ロケットエンジンを使用した小型ロケットが登場しています。快舟11号の最新の打ち上げ映像を振り返ってみると、他のロケットとは若干異なる点があることがわかる。頭には小さなスパイクが付いており、離陸後、この小さなスパイクから横に火が噴きます。実はここで火を噴いているのは固定姿勢制御エンジンと呼ばれるものです。これらの小型エンジンはロケットの側面に向けてジェットを噴射しますが、ロケットを直接横に動かすのではなく、ロケットを偏向させます。

快舟では、その下にある4本の針金のようなものもこの役割を果たします。これは金網ではなく、グリッド舵です。本質的には、一般的な空力制御面と同じです。その利点は、同じ容積でより高い効率でより大きな空気力を生成できることです。これは、空気力を発生させる領域を積み重ねて網を形成するのと同等であり、この網を折りたたむことで機体の容積を小さくすることもできるためです。

SpaceX の Falcon 9 は回復中の制御にこのような舵を採用しており、我が国の有人ロケット Chang Zheng 2F にもヘッドにこのようなグリッド舵が搭載されています。脱出救命システムが起動すると、展開して作動を開始します。もちろん、先ほど申し上げたように、空気力学は空気と速度がある場合にのみ存在するため、これらのロケットのグリッド舵は、一定の速度と高度でのみ制御効果を生み出すことができます。

さて、ロケットの操縦方法は学びましたか?

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: ゴウ・シェン氏

査読者：周炳紅（中国科学院国家宇宙科学センター研究員）

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司