ロケットから噴出した炎は3000℃以上あったのに、なぜ燃えなかったのでしょうか？冷やす方法がある

尾部から噴出する高温の炎を頼りにロケットが空高く舞い上がる様子は壮観です。しかし、ロケットから噴出される炎は非常に高温なのに、なぜロケット自体は燃えないのか、という疑問について考えたことがありますか？

おそらく、このロケットには何らかの耐高温航空宇宙材料が使われているに違いないと思われるでしょう。実は、これは材料で解決できる問題ではありません。ロケットの尾部から噴出する炎の温度は3000℃を超えますが、自然界で最も融点の高い金属であるタングステンの融点は3380℃に過ぎず、ロケットの炎の連続燃焼に耐えることができないのです。もちろん、合成物質であるハフニウムタンタル五炭化物の融点は 4215°C とはるかに高いのですが、ロケットには冷却する他の方法があります。

ロケットノズルの冷却に最も一般的に使用される方法は、「再生冷却」と呼ばれます。名前を聞くだけでも、この冷却方式の「経済的で手頃」な性質が感じられます。

では、再生冷却は経済的にどのように機能するのでしょうか?これはロケット燃料から始まります。すべてのロケットは化石燃料によって推進されますが、燃料の具体的な形態は異なります。たとえば、液体ロケット燃料エンジンは液体燃料、具体的には液体メタン、液体酸素、液体水素を使用します。メタン、酸素、水素のいずれであっても、室温ではすべて気体です。液体に変えたい場合は、非常に低い温度が必要です。

液体メタンの温度はマイナス82.6℃、液体酸素の温度はマイナス183℃と低く、最も恐ろしいのは液体水素で、その温度はマイナス252.7℃に達しなければなりません。

ロケットには極低温液体が大量に積まれていますが、これは容易に入手できる冷却剤ではないのですか?そのため、ロケットのノズルの内壁と外壁には高密度のパイプが敷設されることになります。これらのパイプは通常、ニッケルクロム合金、ステンレス鋼、または銅で作られています。低温の液体燃料は燃料室から出た後、直接燃焼室に入るのではなく、まずこれらのパイプ内を循環します。このようにして、ロケットノズルの冷却を助けるという目的が達成されます。

低温の液体燃料はロケットノズルの内壁と外壁を流れることで熱を運び去り、この熱は無駄になりません。

熱を吸収する低温の液体は、まず予熱されていることに相当し、その後、その熱を燃焼室に持ち込みます。つまり、吸収した熱は最終的に無駄なく戻ってくるため、この冷却方法は「再生冷却」と呼ばれます。再生冷却はロケットノズルを冷却する唯一の方法ではありません。 「フィルム冷却」などの方法もあります。

フィルム冷却で使用される主な冷却材は、依然として低温の液体燃料ですが、今回は燃料をパイプ内に流して熱を吸収するのではなく、低温の燃料をロケットノズルの内壁に直接噴霧します。

ロケットノズルの内壁には多数の小さなノズルで構成された冷却ゾーンがあり、低温の液体燃料をロケットノズルの内壁に噴射します。これにより、内壁に液膜または低温蒸気膜が形成され、ロケットから噴出される高温のガス炎がノズル壁から隔離されます。こうすることで、ガスの炎でロケットのノズルが焼けてしまう心配がなくなります。これらの極低温燃料を使用せずに冷却する方法はありますか?はい、それはアブレーション冷却です。

いわゆるアブレーション冷却とは、ノズルの内壁にアブレーション材料でできたライニングを埋め込むことであり、これはノズルに断熱層を追加することと同等です。

これらのアブレーション材料は、一般的に炭素繊維などの材料で作られています。これらがアブレーティブ素材と呼ばれる理由は、ライニングが熱を吸収する過程で分解して蒸発し、熱を奪うからです。ロケットが最終的に打ち上げられると、それらは消えてしまいます。この冷却方法は比較的粗雑ですが、安価で簡単なので、独自の利点もあります。これら以外にも、ロケットノズルの冷却方法には遮蔽冷却、蒸散冷却、放射冷却などがあります。簡単に言えば、これらの冷却方法があるからこそ、ノズルが保護され、ロケットが自身の高温の炎によって燃え尽きることがなくなるのです。

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