宇宙空間での推進力は、何によるものでしょうか？

Question

このカテゴリで良いのでしょうか？

子供とロケット花火をしていて思ったのですが、
宇宙空間がどのようなものであるかが分かりませんが、
何の抵抗となるものがない空間では、
地球の周回軌道ではない、火星探査機のような
目的地へ巡航するタイプは
どのような方法で進路変更するのでしょうか？
大気圏内での勢いだけで
、後は慣性の法則で、目的地まで突き進むだけでしょうか

どうか宜しくお願いします。

Dio_Genes · Accepted Answer

宇宙空間でなくても、非常に滑りやすい水平の平面、例えばスケートリンクの上だとしてもいいんですよ。そうだとして、物理学で、この場合は力学ですが、どういう考え方をしているのか、ご紹介しておきます。

例えば、ボールをいっぱい積んだ台車の上にに人が乗って、ボールをどんどん一方向に思い切り放ると、台車はだんだん進みます。そのことを、スケートリンクに次のようなものを置いたとして説明してみます。

二つの物体●と○を、バネ／＼／＼をぐぐーと縮めて∥にして（フックで引っ掛けておくことにしましょう）、●と○の間に置くようにしてておきます。

●∥○

ここで縮めたバネを解放してやるとします。すると、

←●／＼／＼○→
　　←●　／＼／＼　○→

みたいに、●と○は正反対の方向に速度を持ち、離れて行きます。

ロケットがやっているのは、同じことなんです。地球の重力を振り切るために盛大にロケット噴射するのもそうですし、方向制御のために小さなロケット噴射（スラスターとかバーニアとか呼んだりする）を行うもそうです。

ロケット噴射って何かといえば、化学燃料を爆発的に燃やすわけですが、それでできたガスも質量があり、一方向に飛んで行きます。このロケット噴射、つまり燃料燃焼で膨張するガス化が、上で説明したバネ（∥→／＼／＼）と○で、●がロケットになります。

小惑星探査のはやぶさに使われたイオンエンジンも同じです。推力が小さい代わりに長く噴射できる点で、普通の化学燃料ロケットとだいぶ違うイメージですが、加速したり、方向転換する点では、上記と全く同じです。

これは、空気中を飛ぶジェットエンジンも同じです。ロケット燃料は酸素なしで燃えるように作られていて真空でも使えますが、ジェットエンジンは空気中で飛ぶものに使うため、空気中の酸素を利用しているという違いだけです。

これらは、「何かを押せば押し返される」という「作用・反作用の法則」と呼ばれます。ただ、ロケットもジェットも離れた位置の空気（や地面等々）を押すのではありません。燃料を含めたロケットやジェット機に直接触れている面だけで起こります。繰り返しになりますが、上記の●と○の例では、加速されるのはバネが触れている間だけですね。ロケットやジェットもそれと同じです。

P.S.

実はプロペラ機やヘリコプターといった、プロペラでの推進も同じです。ロケットやジェットが燃料を燃やしてガス化させて、それを使うのに対し、プロペラでは燃やしたガスではなく、周りにある空気（上記では○が空気に相当する）を使っているのです。この場合も、プロペラが直接引いたり押したりした空気の作用・反作用であり、プロペラから少しでも離れた空気は関係ありません。

※（ここまでで混乱がなければ、以下の補足もどうぞ）

ただ空気中の場合、圧力の差ということも生じます。プロペラなら、前から吸い込み、後ろに押し出しますから、前は圧力が低く、後ろは圧力が高いということになり、それも推進力に絡めて考えることもできます。このことは、上記の説明に何ら差し障りはありません。さらに正確に考えるときには、そういうことも考慮するというだけのことです。

tknakamuri · Answer

ANO7さんの名誉のために２こと

1) バーニア推進　正式な用語です。http://microgravity.grc.nasa.gov/education/rocket/rktcontrl.html
2) ミサイルの制御　ANO15の批判が ANO7 さんの主張と全然かみ合ってません。

fxq11011 · Answer

基本的には、重心位置に変更したい方向に力を加える（例エンジン反対方向に噴射）。
姿勢制御エンジン、これは主に機体の姿勢（向き）を変えるのが目的で進行方向は変えません。
従って、方法としては、姿勢制御エンジンで向きを変え、メインエンジンを噴射。
宇宙空間は無重力に代表されるように、何の力もないようですが、それだけに他の天体の引力が無視できません、実際の航行は燃料節約の意味もあり、この引力をうまく利用しているのでは・・・・。

tknakamuri · Answer

作用反作用の法則は運動量保存則と同等です。

岸をオールで押すケースも、地球まで考えれば運動量保存則は成り立ちます。


余談ですが、ロケットの父　ロバートゴダードを1920年ニューヨーク・タイムズ紙が、

　「物質が存在しない真空中ではロケットが飛行できないことを「誰でも知っている」」

という社説を掲載して酷評、アポロ11号月面到達前日(1969年)にようやく
謝罪したというのは有名な話ですね。

foomufoomu · Answer

作用反作用の法則、というのは、あまり正確な表現ではありません。No.9回答のように運動量保存の法則というのが正しいです。

作用反作用の法則は、船を岸から出すとき、岸をオールで押してスタートするようなものも含まれます。宇宙空間には、押すような岸はありませんが、ロケットは進みます。

運動量保存の法則は、質量×速度の合計は常に一定、という法則です。ロケットは後ろの方向へガス、イオン等を高速で放出します。その結果、運動量の合計が一定でないといけないので、ロケット自身はガス・イオンと反対方向である前に進みます。

uen_sap · Answer

運動量保存の法則で理解してください。

燃焼ガスを噴射します。右方向に噴射すれば、左方向に同運動量の変化が本体に現れます。

chiha2525 · Answer

他の回答のとおり、作用反作用の法則を用いています。何かを放出したら、その反対側に反力を得るってやつですね。放出するものが重ければ重いほど速ければ速いほど、反力（推進力）も大きくなりますが、重いものは持っていくのも大変なので、いかに速く放出するかってことで、ただガスを噴出するより燃焼（爆発）させたほうが速いね、とかって話になって、宇宙空間でロケットが噴射して推進（加速）しているイメージになります。

反作用だと放出するものを持っていかなくてはならないので、なんとか他の方法はないかというので、太陽風を利用したものや電子を放出したりするものがあるようですが、推進力が小さいのでなかなか採用されないようです。

ただ長期航海では、少しの力でも加速しつづければ、それなりの速さになりますので、燃料が要らないというのは有力です。（まぁ止まるのにも同じ時間（距離）掛かるのですが）

ここの最近の質問にあったEmDriveは、電磁波で（今まで知られていない作用で）推進力が得られるらしく（まぁそのような事をいうペテン師は多いのですが）、NASAでも似た力を測定したということで少し話題になっているようです。
パイオニア・アノマリーでは原子力電池の放射熱の非等方性が軌道異常の最有力候補になっていますが、これなども考えられている以上に結構大きな力が得られるものなのかもしれません。

ddtddtddt · Answer

＞どのような方法で進路変更するのでしょうか？
大気圏内での勢いだけで、後は慣性の法則で、目的地まで突き進むだけでしょうか

火星探査機のような長距離タイプとなると、大気圏内での勢いに任せた慣性航法では、ちょっと精度不足です。航行中にけっこう細かく進路を変えます。何千万km先では、現在の進路の誤差が致命的な外れになりますので。

基本的にロケットは、船体の長手軸方向と直角に、進路／姿勢制御用の補助ロケットを持っいて、バーニヤとか言われます。ハヤブサなんかどっちが長手方向がわからんくらい寸胴ですが(^^；)。

わかりやすいイメージは、ヤマト2199のヤマトのバーニヤ推進でしょう。ときどき省略されてましたが、大事な場面でヤマトが回頭したりする時は、ちゃんとバーニヤ噴射してました（回頭を止めるためにも）。

ちょっと違う状況ですが、ミサイルなんかも同じなんです。ICBMともなると事情は違いますが、地対地ミサイルなんかでけっこう長射程のものがありますよね？。機体軸に平行にロケットを噴かすだけで、なんであんなにも長距離でミサイルは落っこちないんだって、思った事はありませんか？。だってミサイルの翼は回転防止のちっちゃなもので、とてもそれで揚力を稼いでいるとは思えない・・・。

じつはミサイルはそのために、ちょっとだけ下向きにエンジンを噴かして、重力に対抗してるんです。ヘリコプターも同じです。ヘリコプターはちょっとだけメインローターを前に傾けて、今度は水平推力を稼いでます。

ちなみに巡航ミサイルは、おおむね翼で飛行してると思って良いと思います。力学的に妥当な位置に、それなりの翼が付いてて、速度が速いですからです。ただしそのぶん使い捨ての地対地ミサイルよりはちょっと遅い訳です。

まぁ～巡航ミサイルも使い捨てなんですけど(^^；)、地対地ミサイルより遥かに正確な飛行制御を目的としますので、ミサイルよりは航空機に近い、という事になると思います。

tiltilmitil · Answer

反動推進の他に使われたことがあるのはソーラーセイル。巨大な帆を張ることで太陽風を受け航行する。理論的には可能といわれていたが、非常に小さい力なので広い面積でありながら軽い帆を作るのが難しく、現状では実験機が一機成功したのみ。
http://www.jspec.jaxa.jp/activity/ikaros.html

惑星間航行レベルでの軌道制御ではスイングバイという手法も使われる。惑星や衛星などの重力にわざとひかれることで進路を変える。
http://spaceinfo.jaxa.jp/ja/swingby_navigation.html

redgarbera · Answer

No.２やNo.４の回答者の方々が書いている通りですが、ひとつたとえを書き添えておきます。

消火器を実際に使ったことがあれば実感できると思いますが(なければ想像して下さいね)、消火器から消火剤が噴き出すと、腕に反動が来ますよね。体が押されるような感じかするでしょう。あれです。もしあなたが宇宙空間に浮かんでいるときに消火器を使ったら(宇宙で火事を消すことはないでしょうが)、消火剤と反対の方向にあなたの体が押されて動くのです。

ロケットなどの場合はもちろん消火剤ではなく、爆発によってできた気体を噴き出させて、その反動でスピードを変えたり向きを変えたりしているのです。

宇宙空間での推進力は、何によるものでしょうか？

宇宙空間でなくても、非常に滑りやすい水平の平面、例えばスケートリンクの上だとしてもいいんですよ。

ANO7さんの名誉のために２こと

基本的には、重心位置に変更したい方向に力を加える（例エンジン反対方向に噴射）。

作用反作用の法則は運動量保存則と同等です。

作用反作用の法則、というのは、あまり正確な表現ではありません。

運動量保存の法則で理解してください。

他の回答のとおり、作用反作用の法則を用いています。

＞どのような方法で進路変更するのでしょうか？

反動推進の他に使われたことがあるのはソーラーセイル。

No.２やNo.４の回答者の方々が書いている通りですが、ひとつたとえを書き添えておきます。

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