本日のH3ロケット7号機の打ち上げ、見事に成功シナリオです！そうです、この瞬間を待っていたんですよ。ヾ(*´∀｀*)ﾉ
https://x.com/HTVX_JAXA/status/1982308129535840480?t=aS9O3kki3qvrp7cfMrHBKw&s=0
でも、JAXAさんの喜びの表情がどこかこわばり気味ですよね？せっかくなんだから、ハヤブサの時みたいに大はしゃぎしてくださいよ、これじゃ見てる方もシラケちゃうじゃないですか、多額の国費を投入しているエンタメなんだからよろしくお願いしますね。
しかし、真空の宇宙空間をどうやって飛行してるんでしょうかね？まあ、これは、演者と観客の「お約束」ですから、あまり深く追求しないのが吉なのですが、JAXAさんがあまりにも答えてくれないので、AI先生(Copilot)に次の様な質問をしてみました。
日月土:ロケットはどのように宇宙空間を飛行しているのですか？
CopilotAI:ロケットは宇宙空間でも「作用・反作用の法則」によって飛行します。空気がなくても、燃料を燃焼させてガスを噴射することで推進力を得ています。
宇宙空間では空気抵抗がないため、飛行機のように空気を利用した推進はできません。しかし、ロケットは自らの内部で燃料と酸化剤を反応させて高温高圧のガスを作り、それをノズルから噴射することで前進します。この仕組みは、風船が空気を噴き出して飛ぶのと同じ原理です。
日月土：いや、同じじゃないでしょう。だって宇宙空間は真空なんですよ、移動体(ロケット)に反作用を与える空気は存在しないのです。これをどう説明するのですか？CopilotAI：おっしゃる通りです、日月土さん。宇宙空間は真空であり、空気は存在しません。だからこそ、ロケットは空気に反作用を受けて飛ぶのではなく、自らの質量を後方に高速で放出することで前進しているのです。
日月土：ならば、マッハ１の速度で飛行するには、質量の半分をマッハ１で射出しなければなりません。減速するのにも、残りの質量の半分をマッハ１で逆方向に射出しなければなりません。問題なのは、その質量の高速射出原理と、その質量をどこに搭載するかなのです。それについて答えていただけますか？CopilotAI:ロケットの速度変化（ΔV）は以下の式で表されます：
この式からわかるように、速度変化は排気速度と質量比の自然対数に比例します。つまり、排気速度が高ければ、少ない燃料でも高い速度が得られます。
(中略)
結論
- ロケットは排気速度をマッハ1以上にすることで、少ない質量でも高い速度を得ることができます。
- 「質量の半分をマッハ1で射出する」という直感は、実際のロケット設計では指数関係で緩和されるため、現実的です。
- 推進剤はロケットの大部分を占め、段階的に切り離すことで効率的な加速と減速が可能になります。
もっと掘り下げて、例えば「比推力」や「推進剤の種類別排気速度」なども見てみますか？
日月土：この方程式は運動量保存則に反していませんか？CopilotAI:鋭いご指摘です、日月土さん。実は、ツィオルコフスキーのロケット方程式は運動量保存則に完全に従っています。一見すると「質量を射出して速度を得る」という仕組みが不思議に思えるかもしれませんが、これはまさに運動量保存の応用です。
(中略)
● なぜ直感に反するように感じるのか？
- 地上では「何かに押される」「空気を蹴る」など、外部との相互作用で加速するイメージが強い。
- 宇宙では「自分の中の質量を捨てることで加速する」ため、直感的には「何に対して反作用してるの？」と疑問が湧く。
しかし、反作用は「噴射されたガスの運動量」に対して起こっているので、空気や壁がなくても成り立ちます。結論
- ツィオルコフスキーの方程式は、運動量保存則に基づいた厳密な物理モデルです。
- ロケットは「自分の質量を高速で後方に捨てる」ことで、その反作用として前方に加速します。
- 空気がなくても、運動量のやり取りは「ロケット本体と排出ガス」の間で行われているため、矛盾はありません。
もし数式の導出過程や、実際のロケットの排気速度と質量比の例を見てみたい場合は、さらに掘り下げてご説明できますよ。
日月土：この公式には、重力損失や空気抵抗が含まれていませんよね？CopilotAI: その通りです、日月土さん。**ツィオルコフスキーのロケット方程式は理想化されたモデルであり、重力損失や空気抵抗は含まれていません。**この式は「真空中での運動量保存に基づく理論的な速度変化（ΔV）」を示すもので、実際の打ち上げでは追加の補正が必要になります。
日月土：そもそも、高速噴射ガスの最高速度はどれくらいなんですか？CopilotAI:化学ロケットエンジンの排気速度の最高値は約4,500〜4,700 m/s（マッハ13〜14）程度です。電気推進ではさらに高く、最大で90,000 m/s（マッハ260）以上に達することもあります。
日月土：化学燃料の噴射速度についてですが、そもそもそれだけの高速射出を行えば、摩擦熱その他による高温でノズルが耐えきれないはずです。CopilotAI:化学ロケットの排気速度（約4,000〜4,500 m/s）は事実であり、ノズルは摩擦熱ではなく燃焼ガスの高温に耐えるように設計されています。特殊な冷却技術と耐熱材料により、極限環境でも機能します。
(中略)
結論
- ロケットノズルは摩擦熱ではなく、燃焼ガスの熱に耐える設計。
- 冷却技術と耐熱材料により、排気速度4,000 m/s以上でも破損せずに機能。
- 実際の運用実績（スペースシャトル、H-IIA、Falcon 9など）でも証明済み。
この分野は熱力学・材料工学・流体力学が融合した技術の結晶です。
日月土：高速噴射ガスとはいいますが、マッハ10まで加速するエネルギーはどのように得ているのですか？CopilotAI:ロケットの排気ガスがマッハ10以上に加速されるエネルギーは、燃焼室での化学反応によって得られた高温・高圧の熱エネルギーを、ラバールノズルによって運動エネルギーに変換することで実現されています。
このように、AI先生はネット上の資料を基に淡々と答えてくれましたが、教科書にも載っている従来の作用・反作用による説明が正しくないことをあっさり認めたのはさすがです。反作用の定義をシレっと運動量保存則のロジックに置き換えてきたのもどこか愛嬌を感じます(笑)
AI先生の答の中で私が納得できるのは以下の点になります。
・ツィオルコフスキーの方程式はあくまでも理想状態で成り立つもの
・宇宙航行で要求されるのは失う質量に比して噴射速度が十分に高速なこと
つまり、たった1グラムの燃料をマッハ100で噴出すれば、1kgのロケットを124km/hで移動させられるということなのです。それだけ超高速噴出したところで、機体が得られる速度はその程度であり、燃料が減り加速効率が指数関数的に向上したところで相対速度差がマッハ数10に及ぶ小惑星に到達しなおかつ帰還するなどという芸当が本当にできるのかは相当に疑問なのです。だって、減速にだって燃料は必要なんですよ。
こんなことはAI先生に頼らなくても高校物理を真面目に勉強していれば分かることなのですが、現実問題としてマッハ10以上の高速噴射が可能なのかについては
実際に飛ばしているから
というのがどうやらAI先生の答のようです。その辺は自分の頭でものを考えない人間様たちと同じですよね。
私は、この「実際に飛ばしているから」というデータや公表値そのものを疑わしいと見ている訳で、理論とデータの間を埋める回答をAI先生に求めること自体にもはや意味はないでしょう。
地表付近で何かしらの物体がマッハ10で噴出されたのなら、自身を破壊しかねない衝撃波が周囲に及ぶはずですし、その噴出ガスがそれだけの速度を得るにはそれ相応のエネルギー源が必要です。
それが化学反応によって生じた3000度の熱エネルギーと先生は言いますが、エネルギー的には等価だとしても、それをノズルがほぼ瞬時に運動エネルギー(速度エネルギー)に変換するってのはかなり疑わしいのです。というか、もはやおとぎ話に近いです。
・・・
まあ、そんなことよりも、ダミーのHTV-X1号機は早く回収した方がいいですよ。それを避けるために日本海溝に落としたみたいですけどね。
金が掛かったエンタメだけど、やっぱり税金の無駄じゃないかな？
H3ロケットの総重量は500t以上、そんな巨大重量の重力損失を無視した説明に何の意味があるのでしょうか？
宇宙喜劇団JAXAの皆さん、偉大な若田パイセンに続こうぜ！
神代六の年に記す
管理人 日月土
