比推力

比推力(通常 I spと略される)は、ロケット エンジンジェット エンジンなどのエンジンがどれだけ効率的に推力を発生させるかを示す尺度です。速度(メートル毎秒またはフィート毎秒)または時間(秒)の単位で測定されます。速度で測定された場合、これは、指定量の燃料を搭載したエンジンが車両の速度をどれだけ変更できるかを計算する、ツィオルコフスキー ロケット方程式で使用される有効排気速度です。時間で測定された場合、I spは速度を地球の重力gで割った値です。この方法は、時間がメートル法とヤード・ポンド法の単位で同じなので便利です。これは、1 キログラムの燃料が 1 キログラムの推力を発生させるのに要する時間であり、1 ポンドの燃料が 1 ポンドの推力を発生させるのに要する時間と等しくなります。

比推力は、推力(つまり運動量の変化)と推進剤の質量の比です。これは「質量流量あたりの推力」に相当します。

数学的導出

エンジンが一定の排気速度で質量を排出する場合、推力は次のようになります。

これを時間積分すると、運動量の変化の総量が得られます。これを質量で割ると、比推力が排気速度に等しいことがわかります。実際には、ロケットの非効率性により、比推力は通常、実際の物理的な排気速度よりも低く、したがって「有効」排気速度に相当します。

つまり、速度の単位での比推力は次のように定義される。

平均推力はどこですか。

測定の実際的な意味は、エンジンの種類によって異なります。自動車のエンジンは、搭載燃料を消費し、周囲の空気を吸い込んで燃料を燃焼させ、(タイヤを通して)地面に反応します。この場合、燃焼した燃料あたりの運動量として解釈されます。

対照的に、化学ロケットエンジンは燃料、酸化剤、反応物質を搭載しているため、反応物質あたりの運動量が測定されます。

飛行機のエンジンは中間に位置します。エンジンを通過する空気の流れに反応するだけであり、この反応物質(および燃焼成分)の一部は機内に持ち込まれるのではなく、呼吸によって排出されます。そのため、「比推力」は、ロケットのように「反応物質あたり」と解釈することも、自動車のように「燃焼燃料あたり」と解釈することもできます。後者は伝統的かつ一般的な解釈です。つまり、異なる種類のエンジン間で比推力を比較することは実質的に不可能です。

比推力は効率の尺度として捉えることができる。自動車や飛行機では、典型的には燃費に相当するが、ロケット工学では達成可能なデルタv [ 1] [2]に相当する。これは、ツィオルコフスキーロケット方程式を用いて軌道間の変化を測定する典型的な方法である。

ここで、 は速度の単位で測定された比推力であり、はロケットの初期質量と最終質量です。

推進システム

ロケッツ

化学ロケットエンジンにおいて、運動量伝達効率はノズルの効率に大きく依存します。ノズルは、反応物質のエネルギー(例えば熱エネルギーや圧力エネルギー)を、同じ方向を向く運動量の流れに変換する主要な手段です。したがって、ノズルの形状と効率は、反応物質からロケットへの総運動量伝達に大きな影響を与えます。

入力エネルギーを反応エネルギーに変換する効率も重要です。燃焼エンジンの熱エネルギーであれ、イオンエンジンの電気エネルギーであれ、そのようなエネルギーを外向きの運動量に変換する工学技術は、比推力に大きな影響を与える可能性があります。比推力は、達成可能なデルタV(ロケット方程式を通じて)と、一定の質量分率を与えられた場合に達成可能な軌道に影響を与えます。つまり、比推力が高いほど、一定のデルタVを与えた後に、より大きな質量分率をペイロードとして運ぶことができます。質量分率と比推力のトレードオフを最適化することは、ロケット工学における基本的な工学的課題の一つです。

比推力は速度に相当する単位を持ちますが、実際の物理速度と一致することはほとんどありません。化学ロケットやコールドガスロケットでは、ノズルの形状がエネルギーから運動量への変換に大きな影響を与え、決して完璧ではありません。また、損失や非効率性の原因となる他の要因(例えば、これらのエンジンにおける燃焼の詳細など)も存在します。そのため、物理的な排気速度は「有効排気速度」、つまり比推力によって示唆される「速度」よりも高くなります。いずれにせよ、交換される運動量とそれを生成するために使用される質量は、物理的に実際の測定値です。通常、ロケットノズルは周囲の圧力が低いほど、つまり大気中よりも宇宙空間の方がより効果的に機能します。イオンエンジンはノズルなしで動作しますが、伝達される運動量が物理的な排気速度よりも低くなるなど、他の損失要因も存在します。

比推力は、2つの数値の積として表すのが一般的です。1つは特性速度で、これは燃焼室の性能を速度の単位を持つ量として要約したものです。もう1つは推力係数で、これはノズルの性能を要約する無次元量です。追加の係数 は、単に単位の変換です。

秒単位

ロケット工学では通常、速度の単位を標準加速度(標準重力g 0 )で割ることで時間の単位に変換します。これはヤード・ポンド法の歴史的な特異な性質で、初期のロケット工学では広く用いられていました(そして現在でもかなり広く用いられています)。正確には、比推力は当初次のように定義されていました。

これは、有効排気速度 (ロード セルフロー メーターなど) よりもテスト スタンドで直接計測する方がはるかに簡単です。より直接的な関係を使用する N と kg を使用する SI システムとは異なり、ポンド力lbf とポンド質量lbmの間の 1 対 1 の対応は標準的な地球の重力でのみ機能するため、最終式にg 0が表示されます。ポンド質量の代わりにスラグを使用した方が寸法的に一貫性が高まり、比推力がフィート/秒で表せるという主張もあります。ただし、一般的に言えば、lbm ははるかに一般的な単位であり、流量計、タンク、および同様のものが推進剤の質量を表すのに使用していました。比推力は、文字どおり、異なる単位系で表された排気速度です。

物理的には、ロケットエンジンが推力と等しい重量の推進剤を与えられた場合に、推力を発生させることができる時間の長さです。つまり、秒単位では、比推力は次のように定義されます 。

ここでもは平均推力、は標準重力です。

自動車業界では実用レベルで比推力を使用することはほとんどありませんが、この指標は定義可能であり、他のエンジンタイプとの比較に適しています。自動車のエンジンは外気を吸い込んで燃料を燃焼させ、(車輪を介して)地面に反作用を及ぼします。したがって、「比推力」を解釈する唯一の意味のある方法は「燃料流量あたりの推力」とすることです。ただし、伝達損失があるため、力がクランクシャフトで測定されているのか、車輪で測定されているのかを明確にする必要があります。このような指標は燃費に相当します。

飛行機

空気力学の観点から見ると、自動車とロケットには共通点があります。自動車と同様に、飛行機のエンジンは外気を吸い込みますが、自動車とは異なり、エンジンを流れる流体(プロペラを含む)のみに反応します。そのため、「比推力」の解釈には複数の方法があります。燃料流量あたりの推力、吸気流量あたりの推力、あるいは「タービン流量」(プロペラ/バイパスファンを通過する空気を除く)あたりの推力などです。吸気する空気は直接的なコストではなく、吸気量には工学的な裁量の余地が広いため、業界では伝統的にコスト効率を重視して「燃料流量あたりの推力」という解釈が採用されています。この解釈では、結果として得られる比推力の数値はロケットエンジンよりもはるかに高くなりますが、この比較は全く異なります。一方は反動質量あり、もう一方はなしです。これは、使用する空気を運ぶ必要がないという点で、飛行機エンジンがロケットエンジンよりも優れている点を例証しています。

あらゆる種類のエンジンと同様に、比推力に影響を与えるエンジニアリング上の選択とトレードオフは数多く存在します。非線形の空気抵抗と、高い燃焼速度で高い比推力を維持できないエンジンの能力が、燃料消費率を制限する要因となっています。

ロケットエンジンと同様に、比推力を「速度」と解釈することは、実際には物理的な排気速度とは一致しません。通常の解釈では反応物質の大部分が考慮されないため、下流における反応物の物理的速度は、I spから推定される有効排気速度よりもはるかに低くなります。

一般的な考慮事項

比推力はエネルギー効率と混同してはならない。エネルギー効率は比推力が増加すると低下する可能性がある。なぜなら、高い比推力をもたらす推進システムは、そのために高いエネルギーを必要とするからである。[3]

比推力を全推力と混同してはならない。推力はエンジンによって供給される力であり、エンジンを通過する推進剤の質量流量に依存する。比推力は推進剤の質量流量あたりの推力を測定する。推力と比推力は、問題のエンジンの設計と推進剤によって関連しているが、この関係は希薄である。ほとんどの場合、高推力と高比推力は互いに排他的な工学目標である。例えば、LH 2 /LO 2二元推進剤は、高いI sp(化学エネルギーが高く、排気分子量が低いため)を生成するが、 RP-1 / LO 2(密度が高く、推進剤の流量が多いため)よりも推力は低くなる。多くの場合、非常に高い比推力の推進システム(一部のイオンスラスタは化学エンジンよりも25~35倍優れたI spを実現する)は、それに応じて低い推力を生成する。[4]

比推力を計算する際、標準的な解釈では、使用前に機体とともに運搬する推進剤のみがカウントされます。この用法は、機体の運用コストに最もよく対応しています。化学ロケットの場合、飛行機や車とは異なり、推進剤の質量には燃料と酸化剤の両方が含まれます。どの機体でも、比推力の最適化は、総性能または総コストの最適化とは通常同じではありません。ロケット工学では、比推力が高く重いエンジンは、比推力が低く軽いエンジンほど高度、距離、速度を上げるのに効果的ではない場合があります。特に後者のエンジンの推力重量比がより高い場合はそうです。これが、ほとんどのロケット設計が複数段になっている重要な理由です。第 1 段は、重力抵抗と空気抵抗に効果的に対抗するために高推力に最適化できますが、厳密に軌道上および真空内で動作する後続の段は、特に高デルタ v 軌道の場合に、より高い比推力に最適化するのがより簡単です。

推進剤量単位

推進剤の量は、質量または重量の単位で定義できます。質量が使用される場合、比推力は単位質量あたりの推力であり、次元解析により速度の単位と等しいことが示されます。この解釈は一般に有効排気速度と呼ばれます。力に基づく単位系が使用される場合、推力は推進剤の重量で除算され (重量は力の尺度)、時間の単位になります。量の尺度としての重量の問題は、重量が推進剤に加えられる加速度に依存し、エンジンの設計とは関係のない任意な加速度に依存することです。歴史的に、標準重力は重量と質量の基準変換でした。しかし、地球の重力が表面全体で変化することを測定できるところまで技術が進歩し、そのような違いが実際の工学プロジェクト (他の太陽系での科学プロジェクトは言うまでもありません) に違いをもたらす可能性があるため、現代の科学と工学では、加速度への依存を排除​​するために量の尺度として質量に焦点を当てています。そのため、推進剤の質量で比推力を測定することは、海面上の自動車、巡航高度の飛行機、火星上のヘリコプターでも同じ意味を持ちます

質量や重量の選択に関わらず、「速度」や「時間」の商は、通常、実際の速度や時間とは直接対応しません。実際のエンジンでは様々な損失が発生するため、実際の排気速度はI spの「速度」とは異なります(自動車の場合、「実際の排気速度」という明確な定義すら存在しません)。むしろ、比推力とは、まさにその名の通り、推進剤の物理量(質量であれ重量であれ)から得られる物理的な運動量のことです。

ユニット

SI単位系および米国慣用単位での各種同等ロケットモーター性能測定値
比推力有効
排気速度
燃料
消費 率
重量別*質量
SI= x s= 9.80665· x N·s/kg= 9.80665· x m/s= 101,972/ x g/(kN·s)
米国慣用単位= x s= x lbf·s/lb= 32.17405· xフィート/秒= 3,600/ x lb/(lbf·h)
*後述するように、xg 0は物理的に正しい

比推力の最も一般的な単位は秒です。SI単位ヤードポンド法単位、米国慣用単位のいずれで計算しても、値は同じです。ほぼすべてのメーカーがエンジン性能を秒単位で表示しており、この単位は航空機エンジンの性能を示す際にも役立ちます。[5]

有効排気速度を示すためにメートル/秒を使用するのも、比較的一般的です。ロケットエンジンを説明する際にはこの単位は直感的ですが、エンジンの有効排気速度は、特にガスジェネレータサイクルエンジンでは、実際の排気速度と大きく異なる場合があります。空気吸入式ジェットエンジンの場合、有効排気速度は使用される空気の質量(空気は環境から取り込まれるため)を考慮しませんが、比較のためには使用できます。[6]

メートル毎秒はニュートン秒毎kg(N·s/kg)と数値的に等しく、SI単位系の比推力の測定値はどちらの単位でも互換的に表記できます。この単位は、比推力が推進剤の単位質量あたりの推力であるという定義を強調しています。

燃料消費率は比推力に反比例し、単位はg/(kN·s)またはlb/(lbf·h)です。燃料消費率は、空気吸入式ジェットエンジンの性能を表す際に広く用いられています。[7]

比推力(秒)

比推力は秒単位で測定され、1キログラムの燃料が1キログラムの推力を何秒で生み出せるかを表します。より正確には、特定の推進剤を特定のエンジンと組み合わせた場合、その推進剤自身の初期質量を1Gで何秒加速できるかを表します。推進剤自身の質量を加速できる時間が長いほど、システム全体に与えるデルタVが大きくなります。

言い換えれば、特定のエンジンと特定の推進剤の質量が与えられた場合、比推力は、そのエンジンがその推進剤の質量を完全に燃焼させるまで、どれだけの持続的な力(推力)を発揮できるかを示す指標です。エネルギー密度の高い推進剤は、同じ質量であれば、エンジン内で燃焼中に同じ力を発揮するように設計されたエネルギー密度の低い推進剤よりも長時間燃焼できます。同じ推進剤を燃焼させる異なるエンジン設計は、推進剤のエネルギーを有効推力へと導く効率が必ずしも同じとは限りません。

すべての乗り物において、比推力(推進剤の地球上での単位重量あたりの推力)は、次の式で定義されます。[8]

I sp(秒)は、エンジンの推力と等しい重量の推進剤が与えられた場合に、ロケット エンジンが推力を生成できる時間の長さです。

この定式化の利点は、反応物質のほとんどが機内に搭載されるロケットだけでなく、反応物質の大部分が大気から得られる航空機にも使用できることです。さらに、結果を時間単位で表すことで、SI単位系、ヤード・ポンド法、米国慣用単位系、その他の単位系で計算した場合でも、結果を容易に比較できます。

各種ジェットエンジンの比推力(SSMEはスペースシャトルのメインエンジン

ヤードポンド法の変換

スラグよりもポンド質量(ポンド/秒)の方 一般的に用いられており、質量流量にポンド/秒(ポンド/秒)を用いる場合は、標準重力を1ポンド質量あたり1ポンド力(ポンド/秒)と表記する方が便利です。これは32.17405 ft/s²に相当しますが、より便利な単位で表記されていることに注意してください。つまり、以下のようになります。

ロケット工学

ロケット工学では、反応質量は推進剤のみであるため、比推力は別の方法で計算され、秒単位で結果が示されます。比推力は、推進剤の地球上での単位重量あたりの推力を時間積分したものとして定義されます。 [9]

どこ

  • 秒単位で測定された比推力、
  • エンジンの軸に沿った平均排気速度(m/sまたはft/s)
  • 標準重力(m/s 2または ft/s 2です。

ロケットでは、大気の影響により、比推力は高度に応じて変化し、真空状態で最大となります。これは、排気速度が単純に燃焼室の圧力の関数ではなく、燃焼室の内外の圧力差の関数であるためです。値は通常、海面("sl")または真空("vac")での運転時について示されます。


有効排気速度としての比推力

比推力の式には地心係数g 0が含まれているため、多くの人が別の定義を好みます。ロケットの比推力は、推進剤の単位質量流量あたりの推力で定義できます。これは、ロケット推進剤の有効性を定義する方法として、同様に有効であり(そしてある意味ではより単純です)、ロケットの場合、このように定義される比推力は、ロケットに対する有効排気速度v eに過ぎません。「実際のロケットノズルでは、排気速度は出口断面積全体にわたって均一ではなく、そのような速度プロファイルを正確に測定することは困難です。一次元問題記述を用いるすべての計算では、均一な軸方向速度v eが仮定されます。この有効排気速度は、推進剤がロケット機体から排出される平均速度、または質量等価速度を表します。」[10]比推力の2つの定義は互いに比例しており、次の関係があります。ここで

  • 秒単位の比推力、
  • はm/sで測定された比推力であり、m/s(gがft/s 2の場合はft/s )で測定された有効排気速度と同じである。
  • は標準重力で、9.80665 m/s 2米国慣用単位では32.174 ft/s 2 )です

この式は空気吸入式ジェットエンジンにも有効ですが、実際に使用されることはほとんどありません。

(異なる記号が使用される場合があることに注意してください。たとえば、排気速度にc が使用されることもあります。この記号は論理的には (N·s 3 )/(m·kg)単位の比推力に使用される場合もありますが、混乱を避けるために、秒単位で測定される比推力にのみ使用することをお勧めします。)

これは推力、つまりロケットの前進力と次の式で関係している:[11]ここで、 は推進剤の質量流量であり、機体の質量の減少率である。

ロケットはすべての推進剤を積載する必要があるため、未燃焼の推進剤の質量もロケット自体と共に加速されなければなりません。所定の速度変化を達成するために必要な推進剤の質量を最小限に抑えることは、効果的なロケットを開発する上で非常に重要です。ツィオルコフスキーのロケット方程式は、所定の空洞質量と所定の推進剤量を持つロケットの場合、達成できる速度変化の総量は有効排気速度に比例することを示しています。

推進力を持たない宇宙船は、その軌道と重力場によって決定される軌道を辿ります。対応する速度パターンからの偏差(Δ vと呼ばれる)は、排気質量を所望の速度変化の方向とは反対の方向に送ることによって実現されます。

実際の排気速度と有効排気速度

エンジンが大気圏内で運転されると、大気圧によって排気速度が低下し、比推力も低下します。これは、真空状態で達成される実際の排気速度と比較して、有効排気速度が低下することを意味します。ガスジェネレータサイクルロケットエンジンの場合、ターボポンプからの排気ガスが別のノズルから排出されるため、複数の排気ガス流が存在します。有効排気速度を計算するには、2つの質量流量を平均化し、大気圧を考慮する必要があります。[12]

空気吸入式ジェット エンジン、特にターボファン エンジンでは、実際の排気速度と有効排気速度が桁違いに異なります。これにはいくつかの理由があります。まず、空気を反応質量として使用することでかなりの運動量が追加され、排気中の燃焼生成物の質量が燃焼した燃料の質量より大きくなります。次に、大気中の不活性ガスが燃焼から熱を吸収し、その結果生じる膨張によって追加の推力が得られます。最後に、ターボファンなどの設計では、直接燃焼に遭遇することのない吸気を押すことで、さらに大きな推力が生成されます。これらのすべてが組み合わさることで、対気速度と排気速度がより一致するようになり、エネルギー/推進剤が節約され、実際の排気速度が低下しながら有効排気速度が大幅に向上します。[13]これは、空気の質量が比推力の計算に考慮されていないため、推力運動量のすべてが排気ガスの燃料成分の質量に帰属し、反応質量、不活性ガス、および駆動ファンがエンジン全体の効率に与える影響が考慮されないためです。

本質的に、エンジン排気の運動量には燃料以外の多くの要素が含まれますが、比推力の計算では燃料以外の要素はすべて無視されます。空気吸入式エンジンの有効排気速度は、実際の排気速度と比較すると無意味に思えますが、異なるエンジンの絶対的な燃費を比較する際には依然として有用です。

密度比推力

関連する指標である密度比推力は、密度インパルスとも呼ばれ、通常はIsdと略され、特定推進剤混合物の平均比重と比推力の積です。[14]比推力ほど重要ではありませんが、低い比推力は推進剤を貯蔵するためにより大きなタンクが必要になることを意味し、それが今度は打ち上げ機の質量比に悪影響を及ぼすため、打ち上げ機の設計において重要な指標です[15]

燃料消費率

比推力は、比燃料消費量(SFC)に反比例します。関係式は、SFC が kg/(N·s) の場合I sp = 1/( g o ·SFC) 、 SFC が lb/(lbf·hr) の場合I sp = 3600/SFCです。

真空中のロケットエンジン
モデルタイプ最初の
実行
応用TSFCI sp (重量比)I sp (質量比)
ポンド/ポンドf·hg/kN·ssMS
アビオP80固形燃料2006ベガ第1段階133602802700
アビオ ゼフィーロ 23固形燃料2006ベガ第2段階12.52354.7287.52819
アビオ・ゼフィーロ 9A固形燃料2008ベガ第3段階12.20345.4295.22895
マーリン 1D液体燃料2013ファルコン9123303103000
RD-843液体燃料2012ベガ上段11.41323.2315.53094
クズネツォフ NK-33液体燃料1970年代N-1Fソユーズ2-1v第1段10.9308331 [16]3250
NPOエネルゴマッシュ RD-171M液体燃料1985ゼニット-2M-3SL-3SLB-3Fステージ110.73033373300
LE-7A極低温2001H-IIAH-IIB第1段階8.222334384300
スネクマ HM-7B極低温1979アリアン2、3、4、5 ECA上段8.097229.4444.64360
LE-5B-2極低温2009H-IIAH-IIB上段8.052284474380
エアロジェット ロケットダイン RS-25極低温1981スペースシャトルSLSステージ17.95225453 [17]4440
エアロジェット ロケットダイン RL-10B-2極低温1998デルタIIIデルタIVSLS上段7.734219.1465.54565
ネルバ NRX A61967869
加熱ジェットエンジン、静的、海面
モデルタイプ最初の
実行
応用TSFCI sp (重量比)I sp (質量比)
ポンド/ポンドf·hg/kN·ssMS
ターボユニオン RB.199ターボファン竜巻2.5 [18]70.8144014120
GE F101-GE-102ターボファン1970年代B-1B2.4670146014400
トゥマンスキー R-25-300ターボジェットミグ21bis2.206 [18]62.5163216000
GE J85-GE-21ターボジェットF-5E/F2.13 [18]60.3169016570
GE F110-GE-132ターボファンF-16E /F2.09 [18]59.2172216890
ハネウェル/ITEC F125ターボファンF-CK-12.06 [18]58.4174817140
スネクマ M53-P2ターボファンミラージュ 2000 C/D/N2.05 [18]58.1175617220
スネクマ・アタール 09CターボジェットミラージュIII2.03 [18]57.5177017400
スネクマ アタール 09K-50ターボジェットミラージュIV50F11.991 [18]56.4180817730
GE J79-GE-15ターボジェットF-4E/EJ/F/GRF-4E1.96555.7183217970
サターン AL-31FターボファンSu-27/P/K1.96 [19]55.5183718010
GE F110-GE-129ターボファンF-16 C/D、F-15 EX1.9 [18]53.8189518580
ソロヴィエフD-30F6ターボファンMiG-31、S-37/ Su-471.863 [18]52.8193218950
リュルカ AL-21F-3ターボジェットSu-17、Su-221.86 [18]52.7193518980
クリモフ RD-33ターボファン1974ミグ291.8552.4194619080
サターン AL-41F-1SターボファンSu-35S/T-10BM1.81951.5197919410
ボルボ RM12ターボファン1978グリペンA/B/C/D1.78 [18]50.4202219830
GE F404-GE-402ターボファンF/A-18C/D1.74 [18]49207020300
クズネツォフ NK-32ターボファン1980Tu-144LLTu-1601.748210021000
スネクマM88-2ターボファン1989ラファール1.66347.11216521230
ユーロジェットEJ200ターボファン1991ユーロファイター1.66~1.7347~49 [20]2080~2170年20400~21300
ドライジェットエンジン、静的、海面
モデルタイプ最初の
実行
応用TSFCI sp (重量比)I sp (質量比)
ポンド/ポンドf·hg/kN·ssMS
GE J85-GE-21ターボジェットF-5E/F1.24 [18]35.1290028500
スネクマ・アタール 09CターボジェットミラージュIII1.01 [18]28.6356035000
スネクマ アタール 09K-50ターボジェットミラージュIV50F10.981 [18]27.8367036000
スネクマ アタール 08K-50ターボジェットシュペルエタンダール0.971 [18]27.5371036400
トゥマンスキー R-25-300ターボジェットミグ21bis0.961 [18]27.2375036700
リュルカ AL-21F-3ターボジェットSu-17、Su-220.8624.4419041100
GE J79-GE-15ターボジェットF-4E/EJ/F/GRF-4E0.8524.1424041500
スネクマ M53-P2ターボファンミラージュ 2000 C/D/N0.85 [18]24.1424041500
ボルボ RM12ターボファン1978グリペンA/B/C/D0.824 [18]23.3437042800
RR トゥルボメカ アドゥールターボファン1999ジャガーの 改造0.8123440044000
ハネウェル/ITEC F124ターボファン1979L-159X-450.81 [18]22.9444043600
ハネウェル/ITEC F125ターボファンF-CK-10.8 [18]22.7450044100
PW J52-P-408ターボジェットA-4M/NTA-4KUEA-6B0.7922.4456044700
サターン AL-41F-1SターボファンSu-35S/T-10BM0.7922.4456044700
スネクマM88-2ターボファン1989ラファール0.78222.14460045100
クリモフ RD-33ターボファン1974ミグ290.7721.8468045800
RRペガサス11-61ターボファンAV-8B+0.7621.5474046500
ユーロジェットEJ200ターボファン1991ユーロファイター0.74~0.8121~23 [20]4400~4900年44000~48000
GE F414-GE-400ターボファン1993F/A-18E/F0.724 [21]20.5497048800
クズネツォフ NK-32ターボファン1980Tu-144LLTu-1600.72-0.7320~214900~500048000~49000
ソロヴィエフD-30F6ターボファンMiG-31、S-37/ Su-470.716 [18]20.3503049300
スネクマ・ラルザックターボファン1972アルファジェット0.71620.3503049300
IHI F3ターボファン1981カワサキT-40.719.8514050400
サターン AL-31FターボファンSu-27 /P/K0.666-0.78 [19] [21]18.9~22.14620–541045300~53000
RR スペイ RB.168ターボファンAMX0.66 [18]18.7545053500
GE F110-GE-129ターボファンF-16 C/D、F-150.64 [21]18560055000
GE F110-GE-132ターボファンF-16E /F0.64 [21]18560055000
ターボユニオン RB.199ターボファントルネードECR0.637 [18]18.0565055400
PW F119-PW-100ターボファン1992F-220.61 [21]17.3590057900
ターボユニオン RB.199ターボファン竜巻0.598 [18]16.9602059000
GE F101-GE-102ターボファン1970年代B-1B0.56215.9641062800
PW TF33-P-3ターボファンB-52H、NB-52H0.52 [18]14.7692067900
RR AE 3007HターボファンRQ-4MQ-4C0.39 [18]11.0920091000
GE F118-GE-100ターボファン1980年代B-20.375 [18]10.6960094000
GE F118-GE-101ターボファン1980年代U-2S0.375 [18]10.6960094000
ゼネラルエレクトリック CF6-50C2ターボファンA300DC-10 -300.371 [18]10.5970095000
GE TF34-GE-100ターボファンA-100.37 [18]10.5970095000
CFM CFM56-2B1ターボファンC-135RC-1350.36 [22]101000098000
プログレスD-18Tターボファン1980An-124An-2250.3459.810400102000
PW F117-PW-100ターボファンC-170.34 [23]9.610600104000
PW PW2040ターボファンボーイング7570.33 [23]9.310900107000
CFM CFM56-3C1ターボファン737クラシック0.339.311000110000
GE CF6-80C2ターボファン744、767MD -11A300 / 310 C - 5M0.307-0.3448.7~9.710500~11700103000~115000
EA GP7270ターボファンA380 -8610.299 [21]8.512000118000
GE GE90-85Bターボファン777 -200/200ER/3000.298 [21]8.4412080118500
GE GE90-94Bターボファン777 -200/200ER/3000.2974 [21]8.4212100118700
RRトレント 970-84ターボファン2003A380 -8410.295 [21]8.3612200119700
GE GEnx-1B70ターボファン787-80.2845 [21]8.0612650124100
RR トレント 1000Cターボファン2006787-90.273 [21]7.713200129000
ジェットエンジン巡航
モデルタイプ最初の
実行
応用TSFCI sp (重量比)I sp (質量比)
ポンド/ポンドf·hg/kN·ssMS
ラムジェットマッハ14.51308007800
J-58ターボジェット1958マッハ3.2のSR-71 (再加熱)1.9 [18]53.8189518580
RR/スネクマ オリンパスターボジェット1966マッハ2のコンコルド1.195 [24]33.8301029500
PW JT8D-9ターボファン737 オリジナル0.8 [25]22.7450044100
ハネウェル ALF502R-5GTFBAe 1460.72 [23]20.4500049000
ソロヴィエフ D-30KP-2ターボファンIl-76Il-780.71520.3503049400
ソロヴィヨフ D-30KU-154ターボファンTu-154M0.70520.0511050100
RR テイ RB.183ターボファン1984フォッカー 70フォッカー 1000.6919.5522051200
GE CF34-3ターボファン1982チャレンジャーCRJ100/2000.6919.5522051200
GE CF34-8EターボファンE170/1750.6819.3529051900
ハネウェル TFE731-60GTFファルコン9000.679 [26]19.2530052000
CFM CFM56-2C1ターボファンDC-8 スーパー700.671 [23]19.0537052600
GE CF34-8CターボファンCRJ700/900/10000.67-0.6819~195300~540052000~53000
CFM CFM56-3C1ターボファン737クラシック0.66718.9540052900
CFM CFM56-2A2ターボファン1974E-3E-60.66 [22]18.7545053500
RR BR725ターボファン2008G650/ER0.65718.6548053700
CFM CFM56-2B1ターボファンC-135RC-1350.65 [22]18.4554054300
GE CF34-10AターボファンARJ210.6518.4554054300
CFE CFE738-1-1Bターボファン1990ファルコン 20000.645 [23]18.3558054700
RR BR710ターボファン1995G. V / G550グローバルエクスプレス0.6418560055000
GE CF34-10EターボファンE190/1950.6418560055000
ゼネラルエレクトリック CF6-50C2ターボファンA300 B2/B4/C4/F4、DC-10 -300.63 [23]17.8571056000
パワージェット SaM146ターボファンスーパージェットLR0.62917.8572056100
CFM CFM56-7B24ターボファン737 NG0.627 [23]17.8574056300
RR BR715ターボファン19977170.6217.6581056900
GE CF6-80C2-B1Fターボファン747-4000.605 [24]17.1595058400
CFM CFM56-5A1ターボファンA3200.59616.9604059200
アヴィアドヴィガテル PS-90A1ターボファンIl-96 -4000.59516.9605059300
PW PW2040ターボファン757 -2000.582 [23]16.5619060700
PW PW4098ターボファン777-3000.581 [23]16.5620060800
GE CF6-80C2-B2ターボファン7670.576 [23]16.3625061300
IAE V2525-D5ターボファンMD-900.574 [27]16.3627061500
IAE V2533-A5ターボファンA321-2310.574 [27]16.3627061500
RRトレント700ターボファン1992A3300.562 [28]15.9641062800
RRトレント800ターボファン1993777-200/200ER/3000.560 [28]15.9643063000
プログレスD-18Tターボファン1980An-124An-2250.54615.5659064700
CFM CFM56-5B4ターボファンA320-2140.54515.4661064800
CFM CFM56-5C2ターボファンA340-2110.54515.4661064800
RRトレント500ターボファン1999A340-500/6000.542 [28]15.4664065100
CFM LEAP-1Bターボファン2014737 MAX0.53-0.5615~16歳6400~680063000~67000
アビアドヴィガテル PD-14ターボファン2014MC-21-3100.52614.9684067100
RRトレント900ターボファン2003A3800.522 [28]14.8690067600
GE GE90-85Bターボファン777-200/200ER0.52 [23] [29]14.7692067900
GE GEnx-1B76ターボファン2006787-100.512 [25]14.5703069000
PW PW1400GGTFMC-210.51 [30]14.4710069000
CFM LEAP-1Cターボファン2013C9190.5114.4710069000
CFM LEAP-1Aターボファン2013A320neoファミリー0.51 [30]14.4710069000
RRトレント7000ターボファン2015A330neo0.506 [a]14.3711069800
RRトレント1000ターボファン20067870.506 [b]14.3711069800
RR トレント XWB-97ターボファン2014A350-10000.478 [c]13.5753073900
PW 1127GGTF2012A320neo0.463 [25]13.1778076300
様々な推進技術の比推力
エンジン有効排気速度(m/s)比推力(秒)排気比エネルギー(MJ/kg)
ターボファンジェットエンジン実際のVは約300 m/s)29,0003,0000.05
スペースシャトル固体ロケットブースター2,5002503
液体酸素液体水素4,4004509.7
NSTAR [31]静電キセノンイオンスラスタ2万~3万1,950~3,100
NEXT静電キセノンイオンスラスタ4万1,320~4,170
VASIMR予測[32] [33] [34]3万~12万3,000~12,0001,400
DS4G静電イオンスラスタ[35]21万21,40022,500
理想的な光子ロケット[d]2億9979万2458円30,570,00089,875,517,874

時間で測定された比推力の一例としては453秒があり、これはRS-25エンジンが真空中で作動する場合の有効排気速度4.440 km/s(14,570 ft/s)に相当します。 [36]空気吸入式ジェットエンジンは通常、ロケットよりもはるかに大きな比推力を持っています。例えば、ターボファンジェットエンジンは海面で6,000秒以上の比推力を持つことがありますが、ロケットは200秒から400秒の間です。[37]

エアブリージングエンジンは、ロケットエンジンよりもはるかに推進剤効率が高い。これは、空気が燃焼のための反応物質および酸化剤として機能し、推進剤として運ぶ必要がないためである。また、実際の排気速度がはるかに低いため、排気が持ち去る運動エネルギーが低く、その結果、ジェットエンジンが推力を生成するために使用するエネルギーがはるかに少ない。[38]エアブリージングエンジンの実際の排気速度は低いが、ジェットエンジンの有効排気速度は非常に高い。これは、有効排気速度の計算では、搭載されている推進剤がすべての反応物質とすべての推力を提供していると仮定しているためである。したがって、有効排気速度はエアブリージングエンジンにとって物理的に意味がないが、それでも他のタイプのエンジンとの比較には有用である。[39]

これまでロケットエンジンで試験発射された化学推進剤の最高の比推力は、リチウムフッ素水素の三元推進剤で542秒(5.32 km/s)であった。しかし、この組み合わせは非現実的である。リチウムとフッ素はともに極めて腐食性が強く、リチウムは空気に触れると発火し、フッ素はほとんどの燃料に触れると発火する。一方、水素は自己発火性ではないものの爆発の危険性がある。排気中のフッ素とフッ化水素(HF)は非常に有毒で、環境を汚染し、発射台周辺での作業を困難にし、打ち上げ許可の取得をさらに困難にする。また、ロケットの排気はイオン化されているため、ロケットとの無線通信に干渉する可能性がある。[40] [41] [42]

核熱ロケットエンジンは、従来のロケットエンジンとは異なり、燃焼熱ではなく外部の核熱源によって推進剤にエネルギーが供給される[43]核ロケットは通常、稼働中の原子炉に液体水素ガスを通過させることで作動する。1960年代の試験では、比推力は約850秒(8,340 m/s)で、スペースシャトルエンジンの約2倍であった。[44]

イオンスラスタなどの他の様々なロケット推進方法は、より高い比推力が得られるものの、推力ははるかに低い。例えば、SMART-1衛星のホール効果スラスタは、比推力1,640秒(16.1 km/s)であるが、最大推力はわずか68 mN(0.015 lbf)である。[45]現在開発中の可変比推力磁気プラズマロケット(VASIMR)エンジンは、理論上、20~300 km/s(66,000~984,000 ft/s)、最大推力5.7 N(1.3 lbf)を生み出す。[46]

参照

注記

参考文献

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  • RPA - 液体ロケットエンジン解析のための設計ツール
  • 各種ロケット燃料の比推力一覧
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