イオン・エンジンの推力

質問

イオンエンジンで、飛行船又はガス気球等を多少たりとも上昇させることは相可能でしょうか？

可の場合には、概ね、高度何m? cm? mm?ぐらい浮上できるのでしょうか？

できる限り、即答して下さい。

回答No.12

sailor

確かに空気を推進剤として使うのであれば推進剤自体はほぼ無尽蔵ですが、推進剤を加速するためのエネルギーはそうはいきませんので、長時間稼働させようとすれば大量のエネルギ源となる物質を積む必要が出てくるでしょう。

まぁ、これについてはレーザーやメーザー（マイクロ波版のレーザー）を使って外部から供給することも可能ですしが・・・・

それから推力というのは蓄積する性質はありませんので、気球なり飛行船なりを動かすの必要な最小限の推力より大きな推力がない限り、どんなに長い時間動作させても動き出すことはありません。例えば気球があるとして現在、その気球の浮力が浮上するための浮力より１０ｇ不足していたとすると、浮上させるためには10より大きい（＝ではダメ）推力が必要で、１０ｇ以下の推力ではどんなに長く動作させても浮上しません。

まぁ、理論上の話であれば条件を満たせば可能です。
でも、同じエネルギー量であればローテクの大口径のプロペラで飛行速度よりやや早い空気の流れを大量に作った方がはるかに効率が良いですよ。

お礼

貴の博識ある度々のご回答、重ねてお礼申し上げます。

回答No.11

noname#215107

>地球の重力と気球の浮力が釣り合っている状態で、それ以上、大気圏内で、同球を上昇させようと思えば、かのイオンエンジンが及ぼす下方噴射力でも相可能ってことなの？？？

「相可能」という意味は分かりませんが、可能です。
ただ、ほとんど測定できないくらい小さな動きでしょう。

ずーーーーーっと噴射し続ければすこーーーしずつ動き始めるはずです。

そうやって探査機はやぶさは、長距離を加速し続けました。

お礼

度々の回答、誠にありがとーーーうございまーーーーす。

回答No.10

noname#215107

>たとえ、（大気圏内で）浮いている気球は、すでに重力と気球の重量が釣りあった状態であっても、それ以上、上昇させようと思えば、どうしても、同球の重力がかかってしまいますよね・・・、高がそれでも、「それは違います」という貴のご結論など、尚更、改められませんか？

No.9さんも同じことを書かれていますが、重力と気球の重量が釣りあっているのではなく、重力と「気球の浮力」が釣りあっているのです。

(もし気球がしぼんだ状態なら、何百キロもの重さがあるかもしれない気球本体を持ちあげなければなりませんので、イオンエンジンで持ち上げるのは無理ですが、そんな話ではありませんよね？)

「気球の重力」などありません。気球に働いて働いているのは「地球の重力」です。
存在するのは気球の「質量(しつりょう)」です。

補足

地球の重力と気球の浮力が釣り合っている状態で、それ以上、大気圏内で、同球を上昇させようと思えば、かのイオンエンジンが及ぼす下方噴射力でも相可能ってことなの？？？

回答No.9

sailor

少し言葉が足りなかったようですね。

確かにイオンエンジン自体は動作しますが、もし上昇させるというのであれば、気球なり飛行船なりが大気中で完全にニュートラルな状態で浮遊しているか、もしくは地上にある場合でもイオンエンジンの推力以下のバランスで地上に接していれば論理上は可能であるということになります。

さて、実際の大気中では風や大気圧の変化、温度や湿度の変化などにより気球などの物体の持つ浮力自体が煩雑に変化します。宇宙空間ではその噴射速度の高さ故に有効なイオンエンジンですが、大気圏内ではその推力に小ささと実際に飛行する物体との速度差（この差が大木ほど効率は低い）のため、まともにその効力を観察することさ難しいでしょう。

まぁ、大気中用にイオンエンジンの原理を使い、大気自体をイオン化させる方式の電磁推進機でも作ればできるかもしれませんが、大気を電離させた状態のものを動作流体として使い、それを大気中にまき散らすことになるので、大量のオゾンを発生させることになるでしょうから、こちらへの対処も考えなければなりませんね。高濃度のオゾンは人体に対しても有害ですので・・・

まぁ、論理上でだけの話ならイオンエンジンではなくても、太陽からの光を受けているすべての物質は太陽とは逆の方向に力を受けているので、太陽から離れる方向に移動することになりますが、実際にはどうでしょうか？非常に長い期間にわたり観測を続け、外的要因を徹底的には除してやれば計測できる可能性はありますが、たぶん計測限界以下の数値で誤差と見分けがつかないでしょう。そのレベル話ということです。

補足

かのレベルの話でも、論理上は可能とのことですので、仮にも、推進剤が尽きないイオンエンジンを稼働し続ければ、気球の重力をも勝る推力（上昇力）を発生させることなど、容易く（難なく）相可能ということでしょうか？

（ベストアンサーとして）お答えの程を。

回答No.8

noname#215107

>結論としては動くのは確か？ということですが、さほど、上昇させようと思えば、気球の
>重力にも勝る推力が必要な為、「鼻息」程度では、全く微動だにしないのでは？

それは違います。
浮いている気球は、すでに重力と気球の重量が釣りあった状態なので、
わずかでも上向きの力を加えれば上昇します。力を加えなければ同じ場所にとどまるだけです。

総重量100kgの気球でも指1本の力で、上方向に移動させることが可能です。

補足

たとえ、（大気圏内で）浮いている気球は、すでに重力と気球の重量が釣りあった状態であっても、それ以上、上昇させようと思えば、どうしても、同球の重力がかかってしまいますよね・・・、高がそれでも、「それは違います」という貴のご結論など、尚更、改められませんか？

回答No.7

noname#215107

気球は浮くために推進装置を必要としませんので、すでに浮いている気球なら
何らかの推力があれば動かすことはできるでしょう。

ただし、探査機のイオンエンジンの場合、「鼻息」程度の推力しかありませんので、
気球に乗って鼻息を吐いてみると同じような実験ができるでしょう。
(どれだけ動いたかは誤差にかき消されて分からないかもしれませんが)

結論としては動くのは確かだが、どれだけ動いたか測定できないくらいの程度、と言えます。

補足

結論としては動くのは確か？ということですが、さほど、上昇させようと思えば、気球の重力にも勝る推力が必要な為、「鼻息」程度では、全く微動だにしないのでは？

回答No.6

foomufoomu

星の重力がほとんど作用しない宇宙空間では、噴出物の速度や質量に関係なく、加速できる速度に上限はありません。(この点はイオンエンジンも、通常の燃料エンジンも同じです。)
しかし重力がある場所では、重力にうち勝つだけの推力が必要です。はやぶさのイオンエンジンでは、まったく地球の重力に勝てません。
ロケットの推力は、噴出物の（ロケットに対する速度）×（時間当たりの質量）なので、高速で噴出すれば噴出物の質量は少なくてすみます。
イオンエンジンが優位なのは、噴出物の速度が大きく質量が小さいので、重い燃料(推進剤というべきですが)を積む必要がなく、少量の噴出用の金属だけで、長距離の宇宙飛行が可能な点です。
通常の燃料エンジンを使ったロケットは、ロケット全重量の90%以上が燃料の重さになるといわれています。

ただ、
＞飛行船又はガス気球等を多少たりとも上昇させる
これらは、なんの推力も必要とせずに、浮き上がることのできる船です。
ヘリウムガス等の比重が空気より軽いことを利用して、空気の中での浮力を利用して浮き上がるので、浮き上がることに推力は必要ありません。
したがって「イオンエンジンでも浮き上がることは可能」と言ってもよいでしょう。（イオンエンジンのおかげで浮き上がるわけではないですが。）

気球が浮けるのは空気の濃いところまでで、無人のものでも数十キロの高さが限界です。(地上百キロが成層圏と呼ばれ、通常ここより上を宇宙と呼びます。)

補足

イオンエンジンのおかげで浮き上がるわけではない為、「イオンエンジンでも浮き上がることは可能」という表現は、専ら間違っているのでは？

それにつけても、地上百キロが成層圏？？とは初耳ですが・・・。

回答No.5

sailor

たぶん全く無理でしょうね。そもそも空気中で使用すること自体がほとんど無意味です。
イオンエンジンは大きな推力を得るためにではなく、非常な高速域でも推力を得られることに意味があるのです。

例えばジェットエンジンでは数トンから１０数トンの推力を得られますが、推力を得られる速度域はジェットエンジンのノズルから噴出されるガスの速度以下に限られます。したがって現用のガスタービン式のジェットエンジンではどんなに推力が大きくてもマッハ３程度が限度でそれ以上の速度への加速は望めません。化学ロケット（燃料を燃焼させ、その発生ガスをノズルから噴射させその反力を推力とするエンジン）では、ほぼ１０倍程度の速度まで利用できますが、それでもそこまでです。

これは与えたエネルギーと噴射される物質の質量で決まる速度までしか加速ができないことを意味しています。ジェットエンジンや化学ロケットでは噴射されるガスは比較的大きな質量を持っているため、いくら大きなエネルギーを持った燃料を燃やしてもイオンエンジンのような高速での噴射を得ることはできません。それに対してイオンエンジンではイオン化された原子を電磁力によって加速し噴射させるため噴射速度はけた違いに早くなります。ただし、噴射するイオンの質量がとても小さいため静止状態での推力は極めて小さいのです。しかし、小さな力でも噴射速度が高いため宇宙空間のような摩擦が働かない場所であれば非常に高い速度まで加速を続けることができるのです。ソーラーセールというものをご存知ですか、これは宇宙空間に巨大なセール（帆）を張り恒星からの光子などを受けて加速しようとするものですが、この場合は光子の速度（すなわち光速）に至るまで推力を得ることができます。ただし非常に小さな推力なので加速自体は非常ゆっくりとしたものになります。

おまけ、
推進効率を高くするにはできるだけ求める速度に近い速度でできるだけ大きな質量の物質を噴射することが大事なのです。例えば飛行船などではジェットエンジンを使わずにプロペラを使っていますが、飛行速度が１００Km／h程度の飛行船ではできるだけ大きな直径のプロペラでできるだけ大量の空気を飛行速度よりやや高い速度で後方に送り出した方が効率が高いのです。ジェット旅客機などのエンジンでもこれは同じで、このような飛行機ではハイバイパスジェットエンジンというエンジンが使用されていますが、このエンジンは吸い込んだ空気のほとんどをエンジン前面のファンで加速しただけで、燃焼室には通さずそのまま噴射してしまいます。エンジンを見ると直系の大きな部分とその後ろの直系の小さな部分に分かれているのがわかると思いますが、実際に燃料を燃やしタービンを回しエネルギーを作り出しているのは直系の小さな部分だけで、直系の大きな部分にあるファン回すエネルギーを作り出しています。このファンで大量の空気を吸い込み少しだけ圧縮して後ろに噴射しています。時速１０００Km／h程度までであればこれが一番効率的なのです。それ以下の速度（例えば時速５００Km／h程度）であればジェットよりもプロペラの方が効率が高いのでターボプロップなどというエンジンもあります。これはジェットエンジンの噴射口にタービンを設け、そのタービンで得た回転力でプロペラを回すという方式です。低速で飛ぶためにはジェットよりもプロペラの方が優れているのです。

イオンエンジンの利点はその噴射ガスの速度が非常に高いことにありますので、その噴射速度でなければ加速が得られないような高速度域での飛行でのみその実力を発揮できるのです。

補足

「たぶん、全く無理・・」とのことですが、回答No.7の方が、「動くのは確か」と言っている為、それ等について、反論のコメントなどあれば、改めて、ご回答の程を。

回答No.4

neKo_quatre

> 飛行船又はガス気球等を

例えば、飛行船にイオンエンジン吊り下げて、飛行船の揚力とエンジンの重量が釣り合ってるとかの状態でしょうか？
そういう前提なら、飛行船の上昇限界までは上がる可能性はあるかも。

浮いたとして、飛行船がスゴイって話にしかならない気もしますが…。

イオンエンジンを質問者さんに置き換えて、手をバタバタさせて浮いたとして、果たして質問者さんが自力(?)で飛んだって言えるかどうか、とか。

お礼

ご回答、ありがとうございます。

回答No.3

trytobe

『できる限り、即答して下さい。』

イオンを噴き出す力の反作用で上昇するには、地球の大気を押しのける負荷や重力の負荷は大きすぎて、大気圏内では使い物にならない。

お礼

ご回答、ありがとうございます