ロケットの仕組み
世界初の液体燃料ロケットは二秒半飛び、高さ約12.5 mに達しました。
押すと押し返される
スケートボードに乗って重いボールを前へ投げると、自分は後ろへ動きます。膨らませた風船を放すと、口から空気が噴き出して風船が飛んでいきます。どちらもニュートンの第3法則によるものです。物体が別の物体を押すと、相手から同じ大きさで逆向きの力を受けます。ロケットエンジンは燃料を燃やして大量の高温の気体を作り、ノズルから高速で噴き出します。ロケットが気体を後ろへ押し、気体がロケットを前へ押すのです。
排気が空気を押さないと進めない、というのはよくある誤解です。力はエンジン内でロケットとその気体の間にはたらきます。空気の抵抗がない真空の宇宙では、むしろロケットは効率よく働きます。ここで大切なのは、質量と速度の積である運動量です。エンジンが1 kgの気体を3,000 m/sで噴き出すと、周囲に何があってもロケットは逆向きに3,000 kg·m/sの運動量を得ます。
ロケット方程式
1903年、ロシアの教師コンスタンチン・ツィオルコフスキーは、宇宙でのロケットエンジンの利用に関する論文を発表しました。そこには、今もロケット設計に使われる方程式が示されています。速度をどれだけ変えられるかを表すΔvは、排気速度veと質量比で決まります。質量比は初めの質量m0を、燃料を使い切った後の質量mfで割った値です。Δv = ve × ln(m0 ÷ mf)。厄介なのは対数です。排気速度が3 km/sで、質量の四分の三が燃料なら（質量比4）、得られる速度変化は4.16 km/sです。燃料を90%に増やしても（質量比10）、6.91 km/sにしかなりません。
軌道に入るには横向きに約7.7 km/sの速度が必要です。さらに上昇中の重力や空気抵抗に打ち勝つ分も要り、単純な一段式ロケットでは足りません。そこで多段式にします。大きな第1段で全体を持ち上げ、燃料を使い切ったら切り離します。重いタンクやエンジンを余分な荷物として運ばずに済み、第2段はずっと有利な質量比で出発できます。アポロ計画で使われたNASAのサターンVは三段式でした。第1段が高度約68 kmまで上げ、第2段が軌道近くまで運び、第3段が軌道投入を終えてから宇宙船を月へ送り出しました。
| サターンV（NASA） | 値 |
|---|---|
| 高さ | 111 m (363 ft) |
| 離陸時の質量 | 280万kg |
| 打ち上げ時の推力 | 3450万ニュートン |
| 地球周回軌道へ | 約118,000 kg |
| 月へ | 約43,500 kg |
| 段数 | 3 |
離陸するには、推力が重力による重さを上回る必要もあります。発射台上のサターンVの重さは280万kg × 9.81 m/s² ≈ 2750万ニュートンで、エンジンの推力は3450万ニュートンでした。その比は約1.26です。差の700万ニュートンを280万kgで割ると、初めの上向きの加速度は約2.5 m/s²にすぎません。大型ロケットがゆっくり上昇し始めるのはこのためです。燃料が減ると質量が小さくなり、加速度が増します。
- ロケットが進む理由を説明する法則はどれですか？
- ニュートンの第3法則
- 質量保存の法則
- オームの法則
- ロケットエンジンには、押す相手として空気が必要ですか？
- はい
- いいえ、自分の排気から力を受けます
- エンジンが2 kgの気体を3,000 m/sで噴き出します。ロケットが得る運動量は何kg·m/sですか？
- 排気速度3 km/s、質量比10のとき、Δvは何km/sですか？（小数第2位まで）
- 排気速度4.4 km/s、質量比10のとき、Δvは何km/sですか？（小数第1位まで）
- ロケットを多段式にするのはなぜですか？
- 空のタンクやエンジンを捨て、残りの部分の質量比を有利にするため
- 一つでは点火できるほど大きなエンジンを作れないため
- ロケットを高くするため
- ゴダードのロケットは41フィートまで上がりました。何メートルですか？（小数第1位まで。1 ft = 0.3048 m）
- サターンVの推力は34.5 MN、重さは27.5 MNです。推力重量比はいくつですか？（小数第2位まで）
- ツィオルコフスキーが宇宙でのロケット利用に関する論文を発表したのは何年ですか？
- 1903
- 1926
- 1957
- 大型ロケットが初めはゆっくり上がるように見えるのはなぜですか？
- 推力が重さを少ししか上回っていないため
- 濃い空気に止められるため
- エンジンがゆっくり温まるため
- ロケットが排気を後ろへ押すと、前へ押し返されます（ニュートンの第3法則）。空気は必要ありません。
- ロケット方程式：Δv = vₑ × ln(m₀ ÷ m_f)。
- 多段式では不要な質量を切り離すため、各段が有利な質量比で出発できます。
- ゴダードは1926年3月16日、世界初の液体燃料ロケットを飛ばしました。
- サターンV：111 m、280万kg、推力34.5 MN、三段式。
このコースの出典 (17)
- Town of Auburn MA, Robert Goddard (auburnma.gov/693/Robert-Goddard)
- History.com This Day in History, 16 March 1926 (Tsiolkovsky 1903 treatise)
- NASA "What Was the Saturn V?" (nasa.gov/learning-resources/for-kids-and-students/what-was-the-saturn-v-grades-5-8)
- NASA Earth Fact Sheet (nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html, GM 0.39860 × 10⁶ km³/s², escape velocity 11.186 km/s, sidereal rotation 23.9345 h)
- NASA History "The Dawn of the Space Age" (nasa.gov/history/dawn-of-the-space-age)
- NASA "April 1961, First Human Entered Space" (nasa.gov/image-article/april-1961-first-human-entered-space)
- GPS.gov Space Segment (gps.gov/space-segment)
- KARI (kari.re.kr: KOMPSAT-1 1999, Chollian, Nuri launch dates, Danuri contents/193, 194, 196 and news release 2022-12-28)
- Korea.kr policy news on the Nuri second launch, 21 June 2022 (korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148902762)
- Korea AeroSpace Administration (kasa.go.kr, founded 27 May 2024)
- NASA International Space Station Facts and Figures (nasa.gov/international-space-station/space-station-facts-and-figures)
- ISS National Lab on Zarya and Expedition 1 (issnationallab.org/iss360/celebrating-the-20th-anniversary-of-the-first-international-space-station-module)
- Korea Herald and Korea.net on Yi So-yeon, 8 April 2008 (koreaherald.com/article/10711787, korea.net/NewsFocus/HonoraryReporters/view?articleId=264742)
- NASA Apollo pages (nasa.gov/the-apollo-program, nasa.gov/history/apollo-11-mission-overview, nasa.gov/mission/artemis-ii)
- NASA Voyager 1 (science.nasa.gov/mission/voyager/voyager-1) and "What is a light-day" (science.nasa.gov/mission/voyager/voyager-1/voyager-1-what-is-a-light-day)
- NASA Stennis Lagniappe July 2015 on New Horizons at Pluto (nasa.gov/wp-content/uploads/2015/05/julylagniappe.pdf)
- NASA SVS 5534 Parker Solar Probe (svs.gsfc.nasa.gov/5534).
確認日: 2026-10-18