スラスターについて２回目の質問。

質問

前にスラスターについて質問をし、理解しやすく良い回答をいただいたのですが少しばかり「これならどうなのかな」と思うことが出てきたので質問します。
　スラスターがどのようなものなのかとか推進力の出し方はわかったのですが、推進力を１５ｔ近く出すのにガスジェット方式を使って、持続的に出すのではなく単発的に１５ｔの推力を出すことは可能なのでしょうか？
　また、ガスジェットでは無理だとしても他の推進力を出す方法で単発的にポンポンと１５ｔ近くの推力を出すことは出来ますか？

回答No.5

First_Noel

＞メンテナンスをしなくても良いようなスラスターは開発可能なのでしょうか？

どれだけお金をかけるか？
即ち，どれくらいの信頼性試験を行っているか，に依存すると思います．

安い民生部品を使って作るのか，宇宙実証された民生部品を使うのか，
地上での模擬試験や小型衛星を用いた宇宙作動試験を行った後で使うのか，
個々の部品ではこれこれで，スラスタ＋供給系＋制御系の組み合わせではこれこれで，
と言うところなどです．

逆に，質問者さまの御意図に見合うようにスラスタへの要求を提出し，
その為にどのような点を克服すべきか，どのくらい費用がかかるか，と
言うことを吟味すると言う道順もあります．

質問者さま要求の大きな推力のスラスタですと，
既にある技術を応用すると言うのでしたら，
現在のヒドラジンスラスタでは，寿命１０年の衛星に搭載されて，
ずっと使い続けますから，そのくらいの実績はあることになります．

即ち，
・現在既に実績のある高信頼性スラスタを用いる場合はどうか．
・質問者さまの要求に見合うスラスタに要求される設計値はどうか．
・メンテ困難であっても，メンテする方法を見付ける．
などと言うことを吟味されることが，恐らく質問者さまのテーマに含まれると思います．

ぶっちゃけて言ってしまえば，柔構造物にはこれこれのスラスタが要求される，と
主張されますと，お金次第でスラスタ屋さんがそれを満たそうと頑張ることでしょう．

こんな回答ですみませんが，要求値が具体的になりますと，
もう少し書けるかも知れません．（要求次第では書けないかも知れませんが．．．）

お礼

毎回適切と思われる回答をしていただきありがとうございます。回答者様のお陰でとても勉強になってます。それと共に自身のやろうとしているテーマが簡単ではないことがわかってきました。ご迷惑をかけると思いますがこれからも質問に答えていただけたら幸いです。

回答No.4

ElectricGamo

>よろしければインパルスについて教えていただけませんか？

簡単に言うと、一回の噴射で与えることの出来る運動量のことです。スラスタにより構造物を制御するためには、どれだけの力を加えたかよりも、どれだけの運動量を与えたかが問題となります。
ロケット方程式を導く際に出てくるのは運動量の変化です。

例えば、15tの推力を1s加え続けた場合と、150tの推力を0.1s加えた場合とでは、力は違うのですが与えた運動量は150kNsで同じで、構造物の制御に与える効果にほとんど違いはありません。

つまり、パルスとしてポンポンと推力を与える際には、推力の値よりも、一回の噴射でどれだけの運動量変化を与えたかを示すインパルスの方がより適当な性能指標と言えるわけです。

お礼

今まで推力ばかり気にしていたのでインパルスのようなことを教えていただいてありがとうございます。そのインパルスを詳しく調べてみようと思うのですが参考文献としてどのような文献が良いでしょうか？

回答No.3

ElectricGamo

はじめまして。

スラスターによる構造物の姿勢制御の場合では、
力よりも加えるインパルス(力積)が重要になります。
いくら推力が大きくてもパルスの時間が短くては
正味の加速量は微々たるものですから。
ですので15tの推力を発生するスラスターという
よりも150kNsのインパルスを発生するスラスターが
必要です。

現状の推進系ではFirst_Noelさんが書いている
ように燃焼反応を用いた化学推進しか選択肢は
ないでしょう。

お礼

回答ありがとうございます。インパルスというのについて知識がないのでその方法がいかに有効なのかわかりません。よろしければインパルスについて教えていただけませんか？

回答No.2

First_Noel

＞回答者様に初めに言っておくべきでしたが私は現在某工学系大学の４年生です。
＞研究室は振動解析の研究室に在籍しています。そこの研究室で
＞卒業研究としてスラスターによる構造物の姿勢制御を行う為の
＞スラスターを設計をしているのですがそもそもスラスターとは何かと言うこと自体を
＞理解していなかったので今回のような質問をしていました。

おおそうだったのですが，失礼致しました．
と言うことは，柔構造物を取り扱っていらっしゃるのでしょうか．
そうすると，大変難しいテーマですね．
実際，宇宙での大型構造物，ＩＳＳどころか，太陽光発電衛星などでは，
全長数ｋｍとかになりますから，柔構造は大変実際的で重要です．
宇宙科学技術連合講演会とかＩＳＴＳとかでお目にかかれるかも知れませんね．．

柔構造物と言えば，ｓｔｋと言う軌道設計やら柔構造やらを扱えるツールがあります．
実際ＮＡＳＤＡとかでは使っていると思います．参考ＵＲＬを御参照下さい．

＞差し支えなければでよろしいのですが今後も色々と質問してもよろしいでしょうか？

私としては大歓迎ですが，私だけの回答ですと私の思いこみや
不正確なところもありますので，私の回答だけで納得なさらないで下さいね．．．
批判的に見て頂ければと思います．

参考URL：

http://www.stk.com/

お礼

ありがとうございます。これからも色々と疑問に思うことが出てくると思うので教えていただけるとありがたいです。早速で申し訳ないのですが少々考えこんでしまうことがあるので回答者様の意見を聞かせていただけますか？
　これから設計をするスラスターについてなのですが私の考えているスラスターはメンテナンスがかなり困難な場所に設置する予定なのですがメンテナンスをしなくても良いようなスラスターは開発可能なのでしょうか？

回答No.1

First_Noel

こんにちは．

パルスとなるか連続噴射となるかは，ひとえに，
・エネルギー供給形態がそうであるから．
・物理現象としてそうなるから．
に依存します．例えば，大電力をコンデンサに溜めておいて，
一気に放電させるとなれば，必然的にパルス的になってしまいます．

＞持続的に出すのではなく単発的に１５ｔの推力を出すことは可能なのでしょうか？

１５ｔと言う推力は，化学推進では余裕で出せるものです．

パルス噴射（短時間で多数回の使用が想定されている，と言う意味で）で用いられる
化学推進には，四酸化二窒素（ＮＴＯ）／モノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）を
推進剤とするスラスタがありますが，推力２０ｔ程度で比推力３００秒程度は達成可能です．

比推力１０００秒やそれ以上で１５ｔの推力を出すスラスタは，現在，存在しません．
理屈では十分可能，工学的にも作るのは可能であっても，
それが工学的にメリットがあるか否かが問題です．

例えば，効率が１％になる，とか，スラスタ１機当たり１０億円かかる，とか，
電力が１ＭＷ必要とか，１００００℃に耐える材質が要求される，とか，
推進剤を１秒間に１ｔ分噴射しないといけない，とか，
或いは，人工衛星の重量の９０％を推進系が占めてしまう，などなど，
これらは現実問題として大きなネックになります．
それらを満たすくらいなら，例え性能は悪くとも実績のある従来技術（化学推進）を
用いると言うのが，挑戦的ではなく実際的な設計側の回答になるでしょう．

推力１５ｔ，比推力２００～４００秒，であれば，現状の化学推進で十分です．
推力１５ｔ，比推力１０００秒とかそれ以上，となると，これは現在，存在しません．
私は専門家の端くれですが，逆にこう主張したいところです．
もし質問者さまがこれから大学へ行かれる機会がありましたら，
是非，凄いスラスタの研究に関わって頂きたい，又は共に研究して行きましょう，
或いはそうではなくても，いろいろな場所で行われている一般公開の場所等で，
専門家の方にいろいろアイデアを述べて頂ければ，と．．．

推力Ｆ，比推力Ｉｓｐ，推進剤流量ｍ，重力加速度ｇとすれば，
Ｉｓｐ＝Ｆ／（ｍ・ｇ）
が成り立ちます．ここで，
Ｆ＝１５（ｔ）＝１５０００・ｇ（Ｎ）
Ｉｓｐ＝１０００秒
とすれば，
ｍ＝Ｆ／（Ｉｓｐ・ｇ）＝１５０００・ｇ／（１０００・ｇ）＝１５ｋｇ／秒
となり，１秒間に１５ｋｇの推進剤を流す必要があります．
問題は，この１秒間に１５ｋｇ流される推進剤に，比推力１０００秒となるように
いかにしてエネルギーを高効率で与えるか？と言う点に尽きます．

究極の推進として，反物質推進があります．
その手前に，核融合推進があります．
核融合推進には，レーザー核融合を用いたパルス噴射のものが，
ネバダ大学で理論的に研究されていました．
実現は１００年以上後でしょうけど，
これらは，恒星間航行の為のスラスタとなりうるでしょう．
学会では，核融合推進を用いた有人冥王星探査計画をやっている人もいました．

思いつくままに冗長になってしまいました，すみません．．

お礼

今回もありがとうございます。回答者様に初めに言っておくべきでしたが私は現在某工学系大学の４年生です。研究室は振動解析の研究室に在籍しています。そこの研究室で卒業研究としてスラスターによる構造物の姿勢制御を行う為のスラスターを設計をしているのですがそもそもスラスターとは何かと言うこと自体を理解していなかったので今回のような質問をしていました。事細かにスラスターの事を知ってからじゃないとうまく研究が進まないと思い、「教えてgoo」に質問を書き込みました。今回スラスターのことについて回答者様に答えていただいてよりスラスターのような推進機構に興味が出てきました。色々とお答えしていただきありがとうございます。差し支えなければでよろしいのですが今後も色々と質問してもよろしいでしょうか？