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2021/4/10 7:49

1010回答

なんで宇宙から地球に戻るときだけ摩擦(断熱圧縮)で熱くなるの?

天文、宇宙92閲覧

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回答(10件)

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地球を回る人工衛星は、物凄い速さで地球の周りを回っています。国際宇宙ステーションだと秒速7.7kmですから地表の音速ではマッハ23に相当します。 宇宙ロケットは大きなエンジンと莫大な量の燃料を積んで打ち上げられますが、あの燃料や酸化剤のほとんどは上昇のためではなく、上昇後に水平方向への加速に使われます。つまり、宇宙まで上がる事そのものには大きなエネルギーは必要ないのです。 人工衛星となるには、地球の大気から抜け出すだけでは不十分で、横方向へものすごい速度で飛ばなければなりません。 打ち上げ直後に地表から上昇して行くロケットは、最初は地球の大気から抜け出すためにほとんど垂直に上昇します。その反対に、人工衛星が地球に戻って来るときは、ほとんど横方向に進みながら徐々に高度を下げる事に成ります。なぜなら人工衛星になっている時点ですごい速度で横方向に飛んでいるからです。 そのマッハ20以上のスピードでは急には止められません。大気の中に飛び込ん来て、運動エネルギーを熱エネルギーとして捨てながら徐々に横方向の速度を落すのです。つまり、地球への帰還の最初の部分は、速度を落とす事から始まります。 なので、すぐには地球に降りては来られません。薄い大気の上層で減速しながら高度を下げるのです。その時の熱は、元々は打ち上げ時にロケットエンジンで加速された運動エネルギーに由来します。繰り返しになりますが、(垂直方向の)高さのエネルギーではなく(水平方向の)速度のエネルギーなのです。

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マッハ20とか速度が飛んでもなく速いからです。 打ち上げ時も大気圏内でそんな速度に達するなら同じ事が起きます。 でも打ち上げ時はもっと遅いんでそうならないのです。

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大気圏内を飛ぶ軍用ジェット機でも、音速の3倍以上の速さになれば断熱圧縮で機体表面が数百度になるため特殊な素材が必要になります。ロケットを打ち上げる時はそれだけの速度に達する前に大気圏外に出てしまいます。

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垂直に近い角度で打ち上げ、できるだけ短時間で大気圏を抜ける。上昇に伴って大気圧はどんどん減少するので大気の「圧縮加熱」効果は減少する。 一方、帰還する場合は「垂直」に大気に突っ込むことができず、落下に伴って加速する。大気圧はどんどん上昇し「圧縮加熱」される。 できれば「十分に減速して」大気圏に突入したいが…減速すれば地球の重力で「真っ逆さま」に落下。

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まず、再突入の際の「熱」は 早い速度が出ている状態の物体と 空気(大気)との抵抗で生じる物ですよね。 言い換えれば「速度」が遅いと ああした「熱」は起こらない訳です。 さて、そこで宇宙ロケットの発進時と 帰還時の速度の事に注目して考えて見ましょう。 まず、発進時のロケットは 地球から宇宙に出る時は 空気がある場所から 空気がない場所に移動する状況で 地上で速度ゼロのロケットが 空気がない宇宙に向かって 加速して行くのが「発進時」となります。 つまり「発進時」の宇宙ロケットの 速度が最も早くなる場所は 宇宙空間となりますね。 そして、宇宙空間には ほとんど空気がないので そこでどれほど速い速度が出ても そこでは空気との抵抗で「熱」は 発生しない・・・と言う事です。 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ さて、地球上ではどんな物体でも 運動をすると「空気の抵抗」を受けるので 必ず「減速」します・・・が、 宇宙にはほとんど「空気」がないので 当然「空気抵抗」による 飛行物体の「減速」は起こりません。 すると地上から速度ゼロから 加速して 空気がない宇宙に出た時に 速度が最高になっている宇宙ロケットは 宇宙では「空気抵抗」がないので その最高速度を保ったまま ずーっと飛行し続ける状態になります。 (※この話は 「宇宙では空気抵抗での減速がない」 と言う点がポイントです!) つまり、宇宙ロケットは 1度宇宙に上がると その最高速度(7.9km/秒以上≒時速2万8440km以上)という 物凄い速度をずーっと保った状態で 地球の周りをグルグル回り続ける事になる訳です。 宇宙空間には速度を比較する対象物がないので 宇宙ロケットや宇宙ステーションの映像で見ると、 止まって居るように見えますが、 実際にはジェット戦闘機の3000倍以上の速度で ずーっと飛行している訳です。 ・・・・・・・・・・・・・・ さて、この宇宙ロケットが 地球に帰還する時には この物凄い速度を減速させながら 地球に帰還すると言う事になる訳です。 しかし、何しろ 戦闘機の3000倍以上という 物凄い速度ですから 簡単には減速できません。 そこで宇宙ロケットは 地球に帰還する際に 地球の空気抵抗を利用して 減速をする事で 減速用のエネルギーを一切必要としない 省エネ減速法を使う事で 地球に帰還するというやり方をしている訳です。 つまり、秒速7.9km以上で飛行する 宇宙ロケットを ほんの少しだけ「減速」させます。 すると、宇宙ロケットの軌道は 変化して地球の地面方向に 少しだけ落下して行く状態になるのです。 宇宙ロケットは速度が速いですから ほんの少し地球に向かて 落ち始めれば 瞬く間に高度が下がって行きます。 地球に落下すれば やがては「空気」がある高度に 凄い速度で突っ込んでゆく状態になります。 この時に「空気」の抵抗が 宇宙ロケットに作用して行く事で その「凄まじい空気抵抗」が「熱」となって その「熱(エネルギー)」の発生分だけ 宇宙ロケットの速度は 徐々に地球に落ちながら「減速」して行く‥と言う事な訳です。

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