電気推進を、高校一年でもわかるように教えてください・

質問

静電加速型
系が加速する方向に静的な電場を作り、クーロン力によって推進剤を加速するタイプ

イオンエンジン
ホールスラスタ

電熱加速型
電磁気力によりプラズマを加熱し、ノズルなどを用いて熱エネルギーを運動エネルギーに変換して推力を得るタイプ。ノズルは固体材料を用いたもののほかに、磁場などを制御してノズルの役割を担わせるものもある。

DCアークジェット

電磁加速型
ローレンツ力を用いているもののほか、電場と系の加速の方向が互いに異なるタイプの推進系は電磁加速型と呼ばれる。

MPDアークジェット

よろしくお願いします。

回答No.4

First_Noel · ベストアンサー

＞＞イオンエンジンは推力密度の低さや真空中でしか作動できないため、地球からの打ち上げに使うことはできない。
＞
＞と、WIKIに書いてありました。
＞大気圏で使えないのは、残念です。
＞でも、それはなぜですか・・・？

「極めて大きな電力と，損耗に極めて強いグリッド材料があれば，
　理論的には可能」なのですが，現実的にはそんな大電力を独立した
ロケット内で確保することは難しい（原子炉など載せれば話は別）こと，
大気中の酸素による推進機内部の損耗（これは不可避）により不可能，と言うことです．
（グリッドとはイオンエンジンに特有の部品で，
　最も単純なものでは２枚の穴がいっぱい開いた板（グリッド）に１ｋＶなどの高電圧
　をかけ，そこへイオンを導いてやると，グリッド間の電位差によりイオンが加速されて
　排気されます．穴が開いているのは，イオンがそこを通り抜けられるようにするためです．）

＞ホールスラスタ
＞は、大気圏で使えますか？
＞もし使えるなら、それはどういったシステムなのでしょう。

ホールスラスタは，イオンエンジンとＭＰＤの中間的な位置付けですが，
難しい話になりますが，ホールスラスタは「空間電荷制限則」による制限を受けないので，
排気するプラズマ密度を上げることが出来，ひいては推力を大きくすることが出来ます．
これもまた，電力の制限と材料の損耗の問題により，大気中での作動は難しいです．

しかし，上記どちらも，ある程度の軌道高度であれば作動は可能になります．
しかしやはり酸素（や原子状酸素）のうようよいるところでは材料の損耗の問題は
ついてまわります．

＞MPDアークジェット
＞は、地上でも使えるし、火星有人ミッションの大本命
＞といったことが書いてありました。

これは「電力次第」です．
結局，「濃い気体の中で放電させる」と言うことが難しいのです．

大型のＭＰＤ，それと一時期学会で話題になった「ＶＡＳＩＭＲ（ヴァシマール）」
なども期待の星ですが，大型・高性能のイオンエンジンによる木星探査計画なども
話題になったときがあります（プロメテウス計画．最近ぱたりと聞かなくなった）．
電力次第ですが，大雑把に言えば，ＭＰＤはイオンエンジンよりもずっと推力密度が
大きいため，同じ推力を得るための推進機は小さく出来ます．
また，比推力についても，ＭＰＤは１００００秒以上も可能ですが，
イオンエンジンの高性能化による比推力向上も可能です．

＞【プラズマを強制排気する】
＞とあるので、これでは、
＞電熱加速型に感じた不安と、重なってしまうのかな、と思いました。
＞プラズマに関しても無知で、【超高熱の光】といったイメージです。
＞あってますか？；；；
＞だとしたら、【高熱のガスを噴射する】と同じく、危険ですね。

何を以って「危険」と言うかなのですが，推進機である限り，
高速のガスなりプラズマなりを排気（噴射のこと）するのは変わりません．
（テザーやソーラーセイルでない限り，噴射の反作用で推力を得るため．）
我々の場合，「危険」と言えば，放射線が出ない，毒性のガスを噴射しない，
貯蔵が安全に出来る，腐食性や爆発性がない，などと意識されます．
そもそも，自宅の庭から打ち上げる，ほどに安全な推進機は今のところありません．
やはりある程度，安全確保のために距離を保った上で打ち上げることになります．
（言わば，
　大きなエネルギーを解放するからこそ，推進力を得ることが出来るとも言えます．）

プラズマとは，ある程度電離したイオンと電子から成り，
そのイオンと電子との密度が同程度（準中性）である「電離気体」のことを言います．
プラズマは高いエネルギー状態（自由電子がある，原子内電子が励起している）にあり，
それは安定な低いエネルギー状態へ常に落ち着こう（再結合，脱励起）としていて，
このとき，光を発します．
身近なプラズマは，例えば蛍光灯やネオン管の中にあります．

例え大気中での作動が出来たとしても，地表での大気は濃いので，すぐに再結合して，
プラズマは普通のガスに落ち着くと思います．もしそれが実現したらどうなるか想像
してみると，宇宙機周辺がピカーッと光っていて，その色は推進剤の種別によって
違っていて（例えば，アルゴンならピンク，キセノンなら青白く，窒素ならオレンジ色），
且つ，そのプラズマがまた大気中の酸素や窒素を電離したりして，結局のところ，
オレンジ色（代表的な窒素プラズマの色）に光る物体が飛翔する・・・まるでよくある
ＵＦＯに例えられるような見栄えだと思われます．

またいつでもどうぞ．

お礼

＞大気中の酸素による推進機内部の損耗（これは不可避）により不可能

そして

＞イオンが高速でグリッド電極に衝突するため、長期間に亘る運用ではグリッド電極の侵食が問題になる。

とウィキにありました。

しかし
＞「 無電極プラズマ推進器」
無電極プラズマ推進器は2つの特徴がある。電極の消耗がない事と出力を加減できる事である

という記述もありました。
酸素での消耗、というのは、単純に「酸化」ですか？
もしそうなら、電極が存在しないこの推進器は、大気圏内で有効ですか？

＞これは「電力次第」です．
結局，「濃い気体の中で放電させる」と言うことが難しいのです．

濃い気体の中で放電させると言うことが難しい、
のはなぜですか・・？
本当に無知ですいません！！；；；

そして電力は、質量１００～２００Kgを持ち上げるのに、５００～１００００００Kwでは足りませんか？
（到底足りなかったら、すいません）

＞例え大気中での作動が出来たとしても，地表での大気は濃いので，すぐに再結合して，
プラズマは普通のガスに落ち着くと思います

それは、
１【つまり大気圏ではMPDアークジェットは作動できない】
という意味なのか
２【プラズマを排出しても、ただのガスになるので、低リスク（安心）】
という意味ですか？

それと、
ＭＰＤは、材料の消耗という問題はないのですか？

回答ありがとうございました。

回答No.3

First_Noel

＃２です．
そうでしたか，勘違いすみませんでした．

ポイントが分からないとのことですので，思いつきで散文失礼致します．

おっしゃるように，電熱加速型は化学推進とは，原理は全く同じです．
ただ，最初の熱いガスを作るのに，前者は放電やヒータを利用するのに対して，
後者は化学反応の熱を利用します．
化学反応では，高々，反応の前後の物質のエネルギー差だけのエネルギーしか
取り出せないので，性能に上限があります．
一方，電熱加速型は，電気エネルギーを与えさえすればどんどんエネルギーを入れることが出来るので，
理屈の上では上限がありません．が，現実的にはいろいろな限界があって，上限はあるのですが．
電気推進全般，莫大な電気エネルギーがあれば推進機の性能（推力・比推力など）は，
理論上，向上させることが出来ます．これも上記のように，いろいろ制約があってあくまで理論上ですが．

クーロン力は，プラスの電気とマイナスの電気の引き合う力のことです．
下敷きをこすると軽いものが静電気でくっつきますが，この力がクーロン力です．
ローレンツ力は，電気の力と磁気の力とが組み合わさって発生する力のことで，
モーターなどはローレンツ力を利用したものです．

「推力」とは，推進機が発生させる力です．これは恐らく分かりやすいかと思います．
推力が大きいほど，大きな力で宇宙機を押すことが出来ます．
「比推力」とは，ある大きさの推力と，その推力を発生させる為に必要な
推進剤の「重量」（質量ではない）との比率で，
比推力が高いほど，（語弊はありますが）「燃費が良い」と言えます．

一般に，化学推進は推力が大きくて比推力が低く，
電気推進は推力が小さくて比推力が高い，となります．
よく言われるのは，化学推進は短距離ランナー，電気推進はマラソン選手，で，
同じだけの推進剤があれば，時間はよりかかりますが，最終的には電気推進の方が得をする勘定になります．

要するに「推進機」とは，
何らかのエネルギーを投入し，いかに効率よく燃費よく，
高い推進性能を取り出すか，と言う機械であり，
この「何らかのエネルギー」が電気エネルギーなら「電気推進」と言うことです．
例えば，お湯を沸かして水蒸気を噴射して飛ぶロケットがあるとすれば，
そのお湯を沸かすのに火力を使えば「火力推進」とか呼ぶようなものです．

ネット上にもいろいろ検索されると解説が見付かるかと思います．
http://www.al.t.u-tokyo.ac.jp/
http://www.ep.isas.ac.jp/
とか．
だんだんと質問ポイントが見えてくるかも知れません．

あと，書籍では，
http://www.amazon.co.jp/%E9%9B%BB%E6%B0%97%E6%8E%A8%E9%80%B2%E3%83%AD%E3%82%B1%E3%83%83%E3%83%88%E5%85%A5%E9%96%80-%E6%A0%97%E6%9C%A8-%E6%81%AD%E4%B8%80/dp/4130628054/ref=cm_lmf_img_7_rsrrrr0
が数少ない日本語の「電気推進」に特化した本で，非常によくまとまっています．

数式などは高校生には不慣れなものだと思いますが，
原理となる物理はほとんどすべて高校物理で習います．

英語ではElectric Propulsion，略してEPとか呼ばれます．
（化学推進はChemical Propulsionで略してCP）

思いつきのままですみませんでした．

お礼

＞イオンエンジンは推力密度の低さや真空中でしか作動できないため、地球からの打ち上げに使うことはできない。

と、WIKIに書いてありました。
大気圏で使えないのは、残念です。
でも、それはなぜですか・・・？

ホールスラスタ
は、大気圏で使えますか？
もし使えるなら、それはどういったシステムなのでしょう。

MPDアークジェット
は、地上でも使えるし、火星有人ミッションの大本命
といったことが書いてありました。

これに一番期待があります＾＾
これを詳しく知りたくなりました。

＞MPDアークジェット（Magnetoplasmadynamic thruster）は主に同軸構造を持つ陰極（カソード）、陽極（アノード）間に数kAの大電流を流すことにより、推進剤を電離し高密度のプラズマを生成すると同時に、電極間に流れる放電電流と、アンペールの法則によってその電流周りに生み出される磁力との相互作用（ローレンツ力）により、生成したプラズマを強制排気すると云うコンセプトの推進機である。

とWIKIにあるのですが、
【プラズマを強制排気する】
とあるので、これでは、
電熱加速型に感じた不安と、重なってしまうのかな、と思いました。
プラズマに関しても無知で、【超高熱の光】といったイメージです。
あってますか？；；；
だとしたら、【高熱のガスを噴射する】と同じく、危険ですね。

回答ありがとうございました。

回答No.2

First_Noel

ご質問に書かれているので結構理解されているのではと思われますが、
いかがでしょう？

静電加速型は、＋極と－極との間でイオンを加速します。
高校の物理で静電場とか習うと分かると思います。

電熱加速型は、熱エネルギーを運動エネルギーに変換します。
これはノズル理論（流体力学と熱力学）が必要になりますが、
要するに、熱いガスを流路面積を工夫した管を通すと大きな運動エネルギーの
高速流体になり、それを噴出して推進します。

電磁加速型はローレンツ力ですので、これも高校物理で習います。

と言うことにまずは尽きると思いますが、どこまでお教えしましょうか？

お礼

いえ、
これはWIKIに書いてあったものを引用しただけです。
電気推進について、なにもしらないです。

して私は、新高校一年の学力なので、ご了承を。

無知な発言をして恥ずかしいのですが、
空を自由に飛ぶ夢があるのです。
（いずれハンググライダーにも挑戦する予定）

それで、化学推進だと、限界を感じたので、電気推進について知りたくなりました。（化学推進についても、ほとんど無知ですが）

この３つの加速型の違いも、まったくわからないし、
引用した文章と、空を飛ぶことが、まったく頭の中でリンクしません；

回答みて思ったのは、
電熱加速型は、自分が求めてるイメージと違うのかな？
ということです。
できれば、あまり危険のないシステムがいいので・・
【高熱のガスを噴射する】のですよね？

ごめんなさい。
あまりに無知すぎて、
なにを質問すればいいのかもわからないです＾＾：：：

回答ありがとうございました。

回答No.1

debukuro

あまりにも範囲が広いので的を小さくしてください

お礼

クーロン力と、ローレンツ力すらわかりません。
ごめんなさい；