SF大会の補足：液体酸素・液体水素は最高の推進剤か

　SF大会での補足第二弾。どうも「液体酸素・液体水素こそ最高のロケット用推進剤」と思っている人が多いようなので。

　この話、私も野田篤司さんと議論するまではきちんと理解していなかった。どうも野田さんと議論がかみ合わないなと思っていたら、野田さんにとっては液体酸素・液体水素がどんな条件でも最高の推進剤というわけではない、ということは自明だったのである。

　「液体酸素・液体水素最高！」と思っていた私は大きな衝撃を受けた。

　そう、スペースシャトルの問題点は液体酸素・液体水素を使ったというところにもあるのだ。

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　以下、なるべくわかりやすく説明を試みてみる。私も完全に理解しているかと言えば自信はないのだけれども。

　ロケットの性能は、ツィオルコフスキーの公式という簡単な式で表すことができる。こんな式だ。

　ロケットの最終到達速度=噴射ガスの速度×Log(推進剤込みのロケット質量/ロケット本体だけの質量)

　ただしLogは自然対数

　この式から、ロケットを最終的に高速に加速するには、1)噴射ガスの速度が大きい、2)本体を軽くして中に一杯推進剤を積む、という2つの方法があることがわかる。

　で、液体酸素・液体水素は1)の方を追求する手段だ。燃焼は化学反応だから分子1モルあたり発生する熱で、1モル分の生成ガスを加速する。だから噴射速度を上げるためには軽い分子のほうが良い。液体酸素と液体水素だと、発生するのは分子量18の水だ。これは、ケロシン・液体酸素で発生する二酸化炭素や、ヒドラジン・四酸化二窒素から発生する酸化窒素よりもずっと軽い。

　だから最終到達速度を高めるためには、液体酸素と液体水素の組み合わせが不可欠になる。もちろんこの組み合わせは発生する熱量も大きい。

　気が付いて欲しい。上記には「最終到達速度を高めるためには」という条件が付いているのだ。では、そんなに最終到達速度が高くなくてもいい場合はどうだろうか。
　ここで、ロケットは、後ろにガスを吹き出すことでガスとの間で運動量の受け渡して前に進むということを思い出そう。

　速度ゼロから噴射でロケットが動き出すことを想像して欲しい。ロケットエンジンはエネルギーを発生してガスを噴射している。でも、最初の段階では噴射のエネルギーはロケットそのものの運動エネルギーにはならない。全部ガスの運動エネルギーとなってしまうことが分かるだろう。やがてロケットがずるずると動き出していくと、運動エネルギーは少しずつ効率的にロケット本体が受け取るようになっていく。

　分かっただろうか。軽いガスを高速で噴射するということは、ロケットが動き出す初期には、運動エネルギーをガスが持っていってしまうということなのだ。

　電気回路の知識のある人は、インピーダンス・マッチングを思い浮かべてくれれば理解しやすいのではないだろうか。

　もちろんロケットの速度が上がるにつれて、噴射ガスの運動エネルギーと比べてロケット本体が得る運動エネルギーは大きくなっていく。　だが、そんなに高速に加速しない時は、液体酸素・液体水素の組み合わせはかえって効率が悪くなるのである。

　ロケット打ち上げ時を考えると、地上の速度ゼロから加速していく第1段がまさにこの条件に相当するのだ。

　「シャトルもH-IIもアリアン5も、第1段は液体酸素・液体水素だ。どうなってんだ」

　そう、だからこれらのロケットには固体ロケットブースターが付いている。ガスの噴射速度は小さいが推力の大きな固体ロケットブースターを付けて、打ち上げ初期の平均ガス噴射速度、つまりは比推力を下げてやっているのだ。

　ここで疑問に思わなくてはいけない。取り扱いの難しい液体酸素・液体水素を使って、噴射速度を上げる、つまり高性能にしたというのに、なんで固体ロケットブースターでわざわざ噴射速度を下げなくちゃならないのか？どこかおかしくないか？

　どうなってんだ？

　以下続く。