比推力計算機 – ロケットエンジン効率

比推力（Isp）は、ロケットおよびジェットエンジンの性能を示す最も重要な指標で、推進システムが推進剤の質量をどれだけ効率よく推力に変換するかを要約します。これは、エンジンが 1 秒あたりに消費する推進剤の重量当たりに生み出す推力 F として定義され、Isp = F / (ṁ × g₀) で表されます。ここで ṁ は kg/s の質量流量、g₀ は標準重力加速度 9.80665 m/s² です。結果は秒で表され、測定体系（SI でもヤード・ポンド法でも）に依存しないため、世界中で比較しやすくなっています。 物理的な意味は直感的です。Isp = 300 s のエンジンは、1 秒あたり 1 キログラム重（9.80665 N）の推進剤を消費しながら 300 秒間 1 N の推力を出せます。あるいは、1 kg/s の推進剤を消費しながら 300 秒間 9.80665 N の推力を出せます。Isp が高いほど、1 kg の推進剤からより多くの推力を引き出せるため、同じ推進剤質量比でも到達可能な Δv が大きくなります（ツィオルコフスキーのロケット方程式のとおりです）。 化学ロケットの典型的な Isp は、推進剤の組み合わせによって 250–450 秒程度です。ケロシン/液体酸素エンジン（SpaceX Merlin など）は海面で約 280–311 s、真空で最大 348 s です。液体水素/液体酸素エンジン（スペースシャトル主エンジンなど）は、水素の分子量が非常に小さく、エネルギー密度が高いため 366–453 s を達成できます。固体ロケットブースターは通常 170–250 s で、比推力を犠牲にして、単純さ、長期保存性、高い推力を得ています。 電気推進システムは、イオンを化学反応ではなく電気的に極めて高い排気速度まで加速するため、比推力がはるかに高く、イオンスラスタでは 1,500–10,000 s に達します。ただし代償として推力は極めて小さく、ミリニュートン程度であり、メガニュートン級にはなりません。そのため打ち上げには不向きですが、燃料質量が重大な制約となる長期の深宇宙ミッションには非常に有効です。 有効排気速度 Veff は Isp と直接関係し、Veff = Isp × g₀ で表されます。これは理想的なロケットにおいて推進剤がノズルから噴き出す速度（ロケット静止系）であり、ツィオルコフスキー方程式 ΔV = Veff × ln(m₀/m_f) に現れる量でもあります。ここで m₀ は初期質量、m_f は推進剤燃焼後の最終質量です。 この計算機は、エンジン性能の比較、エンジン試験データの検証、推進物理の教育的な理解に役立ちます。慣例として、宇宙空間で動作するエンジンでも標準重力（9.80665 m/s²）を用いるため、異なる情報源の Isp 値をそのまま比較できます。月面など別の重力環境での性能を分析したい場合は重力入力を調整できますが、公開されている Isp 値は常に g₀ 基準であることに注意してください。