ロケット工学

ver. 2015/10/01
ロケット工学
2015後期 木曜３限
谷 （W4号館８３３号室）
内線 3051, [email protected]
講義の目的
・ロケットに関する基礎的かつ全般的な理解の習得
・ロケットの推進理論、ノズル理論、ロケットの運動理論、
各種ロケットエンジンの構造、各システム等の基礎事項を
理解し、ロケット設計に必要な理論、考え方を習得する。
© Space Transportation Systems Engineering Laboratory, Kyushu Univ. 2015
1
最近打ち上げられたロケットから
2014/5/24 H2A/ALOS-2
Length
53.0 m
Dia.
4.0 m
2 stages Liquid rocket engine
proplellant
LH2/LOX
payload to LEO 10,000 kg
http://fanfun.jaxa.jp/countdown/daichi2/
2
最近打ち上げられたロケットから
2014/5/26 Sea Launch Zenit-3SL /Eutelsat 3B
Length
59.6 m
Dia.
3.9 m
3 stages solid motor
propellant
RP-1/LOX,
payload to GTO 6,160 kg
http://www.sea-launch.com/
3
最近打ち上げられたロケットから
2014/6/30 IRSO PSLV-C23/SPOT-7
Length
24.0 m
Dia.
2.8 m
4 stages Solid/Liquid rocket engine
propellant
HTPB, UDMH/N2O4
payload to LEO 3,250 kg
http://www.isro.gov.in/Launchvehicles/PSLV/pslv.aspx
4
最近打ち上げられたロケットから
2014/7/24 Soyuz-U / Progress M-24
Length
Dia.
stages
propellant
payload to LEO
47.3 m
3.0 m
2/3
RP-1/LOX
6,900 kg
http://www.spaceflightnow.com/station/exp40/140723prog56p/#.VCPKuBaOd8E
5
最近打ち上げられたロケットから
2014/8/13 United Launch Alliance ATLAS V 401 / WorldView-3
Length
58.3 m
Dia.
3.81 m
2 stages Liquid rocket engine
propellant
RP-1/LOX,
LH2/LOX
payload to LEO 9,797 kg
http://www.ulalaunch.com
6
最近打ち上げられたロケットから
2014/9/4 長征二号丁(Long March 2D)/創新一号04星,霊巧
Length
33.7 m
Dia.
3.35 m
2 stages Liquid rocket engine
propellant
UDMH/N2O4
payload to LEO 3,100 kg
http://www.gov.cn/xinwen/2014-09/04/content_2745224.htm
7
最近打ち上げられたロケットから
2014/9/11 Ariane 5ECA/Measat 3b, Optus 10
Length
56 m
Dia.
3.66 m
2 stages Liquid rocket engine
propellant
LH2/LOX
payload to LEO 21 ton
http://www.spacex.com/press/2014/09/18/press-kit-crs-4-mission
8
最近打ち上げられたロケットから
2014/9/21 Space X Falcon 9/Dragon CRS-4
Length
63.3 m
Dia.
3.66 m
2 stages Liquid rocket engine
propellant
RP-1/LOX
payload to LEO 2,270 kg
http://www.spacex.com/press/2014/09/18/press-kit-crs-4-mission
9
講義計画
１．ロケットの構成、概要
２．物理的基礎
３．ノズル理論
４．推進システム（固体ロケット、液体ロケット、電気推進）
５．ロケットの運動、軌道
６．構造、航法・制御、電気・電子システム
７．ロケットの性能、サイジング、信頼性
８．ロケットの概念設計
・成績評価 ： 出席・演習 ＋ レポート
10
教科書、参考書等
教科書 ： 「ロケット工学基礎講義」 コロナ社、初版第２刷（2004年9月30日発行）
冨田信之、鬼頭克巳、幸節雄二、長谷川恵一、前田則一 共著
上記の図書を教科書として推薦する。
講義資料は、Web上にてダウンロードしてください。
http://stl-www.aero.kyushu-u.ac.jp/member/tani/lecture.html
→ ロケット工学 のボタンを押して、パスワードに「rocket」と入力
（部門ＨＰから、[輸送研のページ]→[講義資料] と辿ることが可能。）
参考書等：
・G. P. サットン著、望月他訳：「ロケット推進工学」、山海堂（原著：「Rocket Propulsion Elements」）
・鈴木弘一著、「ロケットエンジン」、森北出版
・茂原正道著：「宇宙システム概論」、培風館
・冨田信之：「宇宙システム入門」、東大出版会
・小林繁夫著：「宇宙工学概論」、丸善
・柴藤羊二、渡辺篤太郎共著：「ロケット工学」、コロナ社
・栗木恭一、荒川義博編：「電気推進ロケット入門」、東京大学出版会
・日本航空宇宙学会編：航空宇宙工学便覧、丸善
・JAXA, NASAのウェブサイトなど
11
その他、図書室・情報サロン、webなどで参照のこと。
他の講義との関連
特に関連の深い科目
・気体力学
・軌道力学
・航空流体力学
・エネルギー変換基礎論
・人工衛星工学
12
１．ロケットの構成、概要
ロケットとは．．．
ロケット推進の原理で推進される
飛行物体
ロケット推進とは．．．
機体に搭載された物質を、機体
に相対的な速度を持たせて投機
する際の運動量変化により、推進
力を得る推進方式。
13
ロケットの分類
・飛行軌道による分類；
弾道ロケット (ballistic rocket)
打上げロケット (launch rocket)
・段数による分類；
単段 (single stage) ロケット
多段 (multi stage)ロケット
・使用法による分類；
使い捨てロケット (expendable launch rocket)
再使用ロケット (reusable launch rocket)
宇宙往還機 (space plane)
14
ロケットの打上げ能力
・低軌道 (Low Earth Orbit ; LEO )
・低高度の地球周回軌道（パーキング軌道、待機軌道）
・地球静止遷移軌道 (Geostationary Transfer Orbit ; GTO)
15
世界のロケット (1)
http://www.rocket.jaxa.jp/basic/knowledge/compare.html
16
世界のロケット (2)
①Soyuz ②Proton
③Energia (Russia)
④Ariane 4 ⑤Ariane 5
(ESA)
⑥長征3 (中国）
⑦Delta II ⑧Atlas II
⑨Titan III ⑩Titan IV
⑪Space shuttle (米国)
⑫H-IIA (日本)
17
世界のロケット (2')
段数
全長
(m)
直径
(m)
全備重量
(ton)
低軌道 / 静止軌道
打上げ能力 (ton)
Soyuz
2
49.3
3.5
312.9
6.9
Proton
4
49.8
4.0
770
20 / 4.8
Energia
1
60
8.0
2500
100 / 18
Ariane 4
3
58.4
5.4
480.0
7.0 / 4.2
Ariane 5
2
50.0
5.4
725.0
22.6 / 6.8
長征3
3
52.3
3.3
240
8.5 / 2.3
Delta II
3
38.4
2.4
231.8
5.0 / 1.8
Atlas II
2
45.6
3.05
187.2
6.8 / 2.9
Titan III
2
44.6
3.05
680
14.7 / 4.9
Titan IV
2
63.1
3.05
868.6
21.9 / 5.7
Space shuttle
1
56.2
-
2041
23.0 / 2.3
H-IIA
2
53
4
285
10 / 4.1
H-IIB
2
56.6
5.2
531
16.5 / 8
低軌道打上げ能力は、高度２５０ｋｍを想定。
18
日本のロケット (1)
http://www.rocket.jaxa.jp/rocket-engine/rocket/past/
19
日本のロケット (2)
http://www.rocket.jaxa.jp/rocket-engine/rocket/past/
20
日本のロケット (3)
①L-4S ②M-4S ③M-3C ④M-3SII ⑤M-V
⑥N-I ⑦N-I I ⑧H-I ⑨H-II ⑩J-I ⑪H-IIA
21
日本のロケット (3')
段数
全長
(m)
直径
(m)
全備重量
(ton)
低軌道 / 静止軌道
打上げ能力 (ton)
L-4S
4
16.5
0.735
9.4
0.026 / -
M-4S
4
23.6
1.41
43.6
0.18 / -
M-3C
3
20.2
1.41
41.6
0.195 / -
M-3SII
3
27.8
1.41
61.0
0.77 / -
M-V
3
31.2
2.5
128.4
1.8 / -
Epsilon
2(3)
24.4
2.5
91
1.2 / -
N-I
3
32.6
2.4
90.4
1.2 / 0.13
N-II
3
35.4
2.4
135.2
2.0 / 0.35
H-I
3
40.3
2.44
139.3
3.0 / 0.55
H-II
2
50
4
260
9/2
J-1
3
33.1
1.81
87.7
0.9 / -
H-IIA
2
53
4
285
10 / 4.1
H-IIB
2
56.6
5.2
531
16.5 / 8
低軌道打上げ能力は、高度２５０ｋｍを想定。
22
主なロケットのペイロード重量比
23
H-IIA ロケット７号機
衛星フェアリング
(2005/02/26打上)
固体ロケットブースタ
MTSAT-1R
衛星分離部
第１段
固体補助ロケット
第２段
第１段液体水素タンク
第１段液体酸素タンク
第１段エンジン LE-7A
第２段エンジン LE-5B
第２段液体酸素タンク
第２段液体水素タンク
24
H-II ロケットの飛行履歴 (1/4)
静止衛星を打上げる場合のロケットの軌道
25
H-II ロケットの飛行履歴 (2/4)
高度履歴
26
H-II ロケットの飛行履歴 (3/4)
速度履歴
27
H-II ロケットの飛行履歴 (4/4)
[ton]
質量履歴
28
H-IIロケットの構成； 製造区分
29
ロケットシステムの構成； 機能による区分
30
ロケットシステムの構成； 地上設備を含めて
・ロケットは、 機体に搭載する機器を減らして軽量化するために、
機能の一部を地上設備として有する。
・ロケットの設計にあたっては、全体を考えたシステムとしての設計
が必要。
31