推力のニュートン
ニュートンは、一秒間に一キログラムを秒速一メートルだけ加速する力です。重さ約 100 グラムのりんごは、一ニュートンの力で手のひらを押します。ロケットエンジンは毎秒数百キログラムのガスを 3–4 km/s の速さで噴き出し、数百万ニュートン——メガニュートン級の推力を得ます。
推力は二つの項からなります：噴流の運動量 ṁ·vₑ と、ノズル出口での圧力差です。そのため同じエンジンでも地上では真空中より推力が小さく、ノズルの形がどこでよく働くかを決めます。ロケットが離昇できるのは推力が重さより大きいときだけ；その比が推力重量比です。
| 記号 | N · kN · MN |
| 定義 | 1 N = 1 kg·m/s²——ニュートンの第二法則 F = ma から |
| 推力 | F = ṁ·vₑ + (pₑ − pₐ)·Aₑ |
| 古い単位 | 1 kgf = 9.80665 N · 1 tf = 9.807 kN · 1 lbf = 4.448 N |
| 離昇 | 推力重量比 F / mg が 1 より大きい · 発射時のロケットで 1.2–1.6 |
| 代表的な値 | りんご——1 N · 航空エンジン——数百 kN · 液体ロケットエンジン——約 2 MN · 大型ロケット——30–70 MN |
01 · 定義
力、噴流の運動量、出口の圧力
ニュートンの第二法則：力は質量と加速度の積です。ニュートンは、一キログラムに 1 m/s² の加速度を与える力です。エンジンは自らの噴流を押し返して進みます：毎秒、質量 ṁ を速度 vₑ で噴き出し、第三法則により力 ṁ·vₑ を得ます。
第二の項は圧力です。出口のガスの圧力が外気より高ければ、ガスはさらに押します；低ければ、空気が噴流を押し縮めて推力を奪います。長いノズルはガスをより強く加速し、真空中ではよく働きますが、地上では不利です。短いノズルはその逆です。比推力 Isp は、毎秒消費する推進剤の重さあたりの推力で、単位は秒：高いほどエンジンは経済的です。
離昇には何ニュートン必要か
持ち上げるものを選び、推力を設定します——目盛りは対数で、0.1 N から 100 MN まで。重さは重力 mg。推力が重さを上回れば離昇です。
ガレージ：部品からロケットを組み立てる
ロケットは組立棟に立っています。部品ごとに質量、空気抵抗、推力が変わります：フェアリングは先端の形、機体はタンクの直径と搭載できるエンジンの数、フィンは max-Q での安定性、エンジンとノズルは推力と比推力を決めます。最後に変更した部品がハイライトされます。右側は部位別の質量、推力重量比、速度の余裕です。ロケットが完成したら「発射台へ搬出」。
ロケットを組み立てて、離昇できるか確かめよう
ロケットは上のガレージで組み立てます：フェアリング、機体、フィン、エンジン、ノズル、推進剤、ペイロード。組み立てたものがそのまま発射台に出てきます。メインの操作は「発射」：カウントダウン、点火、離昇、音速突破、最大動圧、エンジン停止、そして最高点までの慣性飛行。ガレージでは二段目を追加して「軌道投入ターン」をオンにできます：離昇後ロケットは水平方向へ傾き、一段目が分離し、二段目が横向きに約 7.8 km/s まで加速します——近地点が 160 km より高ければ、ロケットは軌道に乗っています。ターンなしでは飛行は垂直で、観測ロケットと同じです。最初の数秒はゆっくり、その後は早送りで進みます；シーンの下のスライダーで前後に動かせます。右側はノズルの断面：出口圧力と外気圧の比較で、これが噴流の形と推力を決めます。
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02 · 換算
| {n} | {v} | {note} |
早見：重量トンはほぼ 10 kN、推力百トンは約 1 MN。正確には 9.807 を掛けます。
アメリカのエンジンはよく重量ポンドで表されます：百万 lbf は 4.45 MN。
03 · 桁の並び
04 · 測定器
05 · 表記の規則
06 · 隣り合う単位
07 · 歴史の部
ニュートンは SI 組立単位です：キログラム、メートル、秒から成ります。2019 年からキログラムはプランク定数で定義され、ニュートンもそれに基づいています。力の標準は、既知の重力場で既知のおもりをセンサーに載せる試験機です；最大のものは数メガニュートンに達します。
ロケットエンジンの推力はカタログ上の定数ではありません。外気圧によって変わるため、諸元には二つの値を書きます：海面上と真空中です。古い資料は推力を重量トンで示しました；ロシアの規格 GOST 8.417 ではこれは SI 外の単位で、9 807 を掛けてニュートンに換算します。
量のカタログ
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