ロケットエンジンノズル：設計、作動原理、種類、歴史

主要部と特性

一般的なノズルは、収束部、スロートと呼ばれる最小断面積部、拡大部（膨張部）から構成される。重要な特性には、ノズルの輪郭形状、出口部とスロート部の面積比である膨張比、さらに材料の選択や冷却方式を左右する熱的・構造的な限界が含まれる。

作動原理

ノズルへ流入したガスは断面が狭まるにつれて加速し、スロートでは音速に達することがある。その後、拡大部では超音速まで膨張・加速できる。この挙動は圧縮性流体の理論によって説明され、広く用いられる収束・拡大形、すなわちデ・ラバルノズルの設計の基礎となっている。

一般的な種類

• ベル形（輪郭形）ノズル — 流れを効率よく方向付けられ、多くの液体ロケットにとってコンパクトである。
• 円すい形ノズル — 製造はより簡単だが、通常はベル形より効率が低い。
• エアロスパイクノズルおよび高度補償ノズル — 周囲圧力が変化する範囲でも性能を維持し、単段式または再使用型の機体に有用である。

ノズルの選定では、性能、重量、冷却の複雑さ、運用高度の均衡が図られる。海面高度向けに最適化される設計もあれば、真空向けの設計もある。一般に、膨張比が大きいほど真空での使用に適する。

材料、冷却、歴史

ノズルには通常、耐熱合金、銅系ライナー、複合材料が用いられる。また、推進剤が熱を吸収する再生冷却流路などの能動冷却を備えることが多い。収束・拡大形という概念は、高速の蒸気流およびガス流に関する初期の研究にさかのぼり、液体推進と固体推進の発達に伴ってロケットへ応用された。ノズルは排気速度、ひいては比推力を大きく左右するため、その設計は今日でもロケット工学と機体性能の中核である。