スラスタの大きさ設計について質問．

質問

構造物を制御する為にスラスタを設計しているのですが，あらゆる本を調べてもスラスタの大きさを設計する為に必要な計算式が見つからず困っています．
　又，ノズルの入口・出口の面積や質量流量率などの例などがなくておおまかなサイズを決めるのにも困っています．なにか良い資料がありましたら教えてください．

回答No.2

ElectricGamo · ベストアンサー

＞おおよその速度はどのように求めればよいのでしょうか？

比推力から算出します。例えば、N2O4/MMHであれば比推力は250～300sぐらいですよね。排出ガスの速度は、比推力に重力加速度をかければ出てきますから、算出が可能です。

＞あと一分間パルス噴射を行う場合に必要な酸化剤・燃料の量を求めるにはどうすれば良いでしょうか？

（推力）＝（質量流量）×（噴射速度）

ですから、質量流量は分かります。必要な推進剤質量は、（質量流量）×（一分間）ですので、酸化剤と燃料の量は、混合比によりそれを配分すれば出てきます。

お礼

ありがとうございます！
教えていただいた方法で算出してみます．
もう一つ教えていただいてよろしいでしょうか？
酸化剤・燃料のタンクの設計はどのように行えばよろしいのでしょうか？
本とかには詳しい設計方法が載ってなくて・・・．

回答No.4

First_Noel

アドバイスのみですが，ＳＰ－１２５とどちらが早いかは不明ですが，
下記文献は，ご質問の辺りの簡単な計算例の他，
ロケット各部の設計概念をつらつらと述べています．
（ＳＰ－１２５によれば・・・って感じですが．）
ものによっては，実例の数値も若干あります．

「ロケットシステム」
１９９９年６月３０日発行
著者　田辺英二
発行人　田辺英二
０５２－８７６－３２６０

もしかしたら自費出版なのかも？

お礼

回答ありがとうございます．
今度，サットンの本を読みに他大学に行ってくるのですがよかったら必要なChapterを教えてください．

回答No.3

ElectricGamo

＞酸化剤・燃料のタンクの設計はどのように行えばよろしいのでしょうか？

Sutton の Rocket Propulsion Elements ですと

　　Chapter7 の 3. Propellant Tanks

にタンクのことが書いてあります。いくつか抜き出しますと、重心位置を考慮した配置と形状にすること(推力ベクトルが構造物の重心を通らないと構造物が回転してしまいます)。タンクの容積を決める際にある程度の余裕分(推進剤が熱膨張したりガスを発生したりするから)を見積もること。無重力中で推進剤をタンクから送り出すための機構を加えることなどがあります。

タンクの重さは、ガス圧で推進剤を押し出すのか、ターボポンプを使うのかで変わります。前者はタンクの内部が高圧となりますのでタンクは重く、後者はターボポンプで昇圧しますのでタンクは薄く軽くなります。タンク内部の圧力の平均的な値については上述の参考文献からお調べ下さい。

お礼

回答ありがとうございます．
今度，Rocket Propulsion Elements を閲覧しに他の大学に赴くのですがスラスタの設計，タンクの設計等に必要なChapterがございましたら教えてください．

回答No.1

ElectricGamo

有名な資料として

NASA SP-125, "Design of Liquid Propellant Rocket Engines"

がありますので参考にして下さい。若干古い資料ですが参考になります。

資料を取り寄せるのに時間がかかるかも知れませんから、かいつまんで回答します。まず、構造物を制御するのに必要な推力の大きさや推進剤等は既に決まっているのが前提です。その上で一番確実なのは、似たような推進剤を使う推力値が同レベルな既存のロケットエンジンのデータを参考にすることです。

これでは具体的な回答にならないので、概要を書きますと、まず設計の流れとして、推進剤が決まっているのであれば噴射ガスの速度もおよそ決まりますので、質量流量率は推力を燃焼ガスの速度で割ることで求まります。

次に、ノズルですが、質量流量率が決まっている場合には、燃焼圧が高ければスロート面積が小さくてすみ、逆に燃焼圧が低ければスロート面積は大きくなります。つまりノズルの大きさを決めるスロート面積などは燃焼圧が決まらないと分かりません。

では、その燃焼圧ですが、燃焼圧は大きければエンジン自体が小さくてすむでしょうが、ターボポンプや配管の強度の制限から上限があります。だからむやみに高くは出来ません。そのあたりについては、使う材料とか溶接の仕方とか、全体の重量とか、信頼性とかさまざまな要素が入り簡単には決められないのです。

それなので設計する段階では、既存のエンジンの燃焼圧を参考にして同じぐらいとして求めるのがいいのではないでしょうか？

ちなみに、ノズルの出口の大きさは、構造物の大きさからおのずと上限は決まります。構造物よりもでっかいノズルは考えられないですから。ノズルの出口の大きさが決まってしまうと、膨張比にも上限が出てしまうのですが、そのあたりは色々な要素が絡んだトレードオフになります。

お礼

回答ありがとうございます．
推進剤は決まっているのですが噴射ガスの速度のおおよその値がわかりません．
おおよその速度はどのように求めればよいのでしょうか？
あと一分間パルス噴射を行う場合に必要な酸化剤・燃料の量を求めるにはどうすれば良いでしょうか？