2017年9月4日月曜日

ミサイルが上昇中、燃焼が終わった時点で爆発した場合

北朝鮮が8月29日に発射した「火星12」とみられる弾道ミサイルについて、もし上昇中、エンジンの燃焼が終わった高度200kmで爆発した場合、破片は日本に落ちてくるか、計算してみました。
結果は爆発した地点から約1500km以上先になりました。


上昇中のミサイル、爆発する直前のミサイルの上昇速度は毎秒2600m、水平速度は3600mとします。2600mは高度200kmからさらに約350km上昇できる速度です。
爆発でばらばらになったミサイルの破片は、マッハ3程度の秒速1000mで飛び散ったとします。
これは、前の投稿でも説明しています。

すると下向きに飛び散る破片は秒速2600m-1000mで、秒速1600mで上昇します。

秒速1600mのミサイルは高度をさらに130km上昇します。時間で約163秒、高度約330kmに達し落下がはじまります。330kmの高度から地上まで落下する時間は約259秒です。
合わせると、422秒、秒速3600mで水平移動していますから、

3600×422=1519200、約1519kmです。

では、水平速度と逆方向に飛び出した破片は、水平速度が秒速3600mから秒速1000m減るので、秒速2600mに速度が落ちます。上昇速度は失っていないので、約550kmまで到達しますので、地上に落下するまでの時間は、高度200kmから550kmまで上昇する時間265秒、高度550kmから落下する時間335秒、合計で600秒かかります。
秒速2600×600秒で、1560kmです。

下方、逆方向に飛び出した破片は、爆発した地点から1500km以上先に落下する計算になります。これを地図でみると、発射地点から1500kmですから、北海道には落下する計算になりました。


この計算は、爆発した時の速度をマッハ3くらいと、やや危険側で計算していますので、実際に爆発した場合は、1500kmよりも先に落ちると考えられます。爆発で飛び散る速度がマッハ2で後方に飛び出した破片で計算すると1750kmくらい先まで飛んでゆく計算になります。
特に質量が多い破片ほど、爆発による加速ができませんので、爆発しない場合の軌道に近いところを飛んでゆくと考えられます。



原発が止まって火力が増えたのは一時的

原発が止まって火力発電が増えたという言われていますが、どの程度増えたのか調べてみました。

総発電量の情報から確認を確認してみます。
http://www.fepc.or.jp/enterprise/jigyou/japan/

ここに、発電量の情報が出ています。割合で書かれているので、それぞれの電源別発電量を計算してみました。1パーセント未満の数値はまるめられているのでおおよその値です。
確認してみると、2007年の火力総発電量は約6700億kWh、2015年度は約7500億kWhです。2007年の火力発電量を100%とすると、2015年は112%、
12%しか増加していないことがわかりました。
最大でも2012年の24%増です。

この間GDPは増加していますので、経済成長していますから、家電機器の省エネ化、LED照明などによる省エネ化、多くの企業努力、産業構造の変化によって電力消費量が減っている事と、再生可能エネルギーが増えている事などで、原子力が無くても、火力発電の量が減ってきているものと思われます。

今後、高効率なコンバインドサイクルの火力の導入がさらに進み、更なる省エネも進み、再生可能エネルギーの拡大余地もありますので、2007年比で火力発電はさらに減らせる可能性があります。原発事故の後に、原子力が無いと火力発電の増加で大変な事になると大騒ぎしていましたが。当初考えていたよりも火力発電を増やさないで済んでいるということになります。

残念ながら2016年以降は電源別発電量が発表されないようなので、2016年はどうだったのか見つけることができませんでした。








2017年9月3日日曜日

550km上空を通過するミサイルが上空で爆発したら、落下物の危険はないか?

北朝鮮が8月29日に発射した「火星12」とみられる弾道ミサイルについて、もしも、550km上空をマッハ10.5で通過中に爆発した場合、真下の日本の陸地に落下物は落ちてこないか?

爆発でばらばらになったミサイルの破片は、どんなに加速されても、マッハ2程度です。例えばライフル銃の弾丸は通常マッハ2から3程度と言われています。爆発は爆破時間が短く、広がる空間で、ライフルのような筒の中のようには加速できません。

さて、550km上空を、マッハ10.5で移動中の物体が爆発して、破片が真下にもしもマッハ3で飛び出したとします。(余裕をみて、マッハ2ではなく、マッハ3で計算してみます。)その物体が地上まで落下する時間は?

初速が1020m/秒加算された計算になります。
自由落下で1020m/秒に加速するための時間は、104秒、約53km落下後です。
t=v/g (v:速度、g重力加速度9.8m/s^2)
さらに53km上空から落下させたときの、落下の残り時間と同じです。
603km上空から地上までかかる時間は、350秒ですから残り時間は
350秒-104秒=246秒、
246秒後に地上に到達することになります。

落下距離から時間を求めるためには、
SQRT(2×h/g) h:高さ
です。

さて、
マッハ10.5、秒速3570mの物体が246秒進むと、約878km
約850km以上先に落下することになります。

重い破片ほど、爆発時に加速できないので、より遠くに飛ぶことになります。

では、後方にマッハ3で飛だした破片は、どうなるでしょう。
マッハ10.5-3=7.5
つまり、マッハ7.5に減速したことになります。
550kmを落下する時間は約335秒ですから、
0.34×7.5×335=約850000、850km先ということになります。

実際は、爆発で破片が飛び出す速度は、マッハ3までは到達しないと思われますので、真上で爆破しても、心配ないといえます。

では、次回は、上昇中について、考察してみます。

(もしも、計算ミスや勘違いがありましたら、コメントでご指摘ください。)


2017年9月1日金曜日

ミサイルの軌道を描いてみた

北朝鮮が8月29日に発射した「火星12」とみられる弾道ミサイルについて、Jアラートで、テレビ放送では日本の上空を通過した時間になっても非難を呼びかけていました。本当に北海道から長野まで落下する可能性があったのだろうか?また、何分間も非難を呼びかける必要があったのだろうか?

そこで、おおよそ計算してみました。
最初燃焼時間がわからなかったのですが、報道によると、151秒とわかりました。
http://www.yomiuri.co.jp/world/20170830-OYT1T50071.html
そこで、
空気抵抗が無いとして計算してみました。151秒間(2分半)燃焼すると、
燃焼終了時の高度は198km

そのときの上昇速度は2626m/sec
そうすると慣性で550kmまで上れます。
約1/3まではロケットで上昇し、残りは慣性で上昇します。
ロケットの垂直方向の加速度は17.4m/s^2で、この高度まで上昇してきたといえます。

水平方向の加速度は約25
m/s^2で、この位置まで加速してきた計算になります。
水平方向約300kmあたりで燃焼終了、水平方向秒速3576m、水平方向マッハ10.5
(垂直方向の速度とあわせて、燃焼終了時は最高速度マッハ13少し)

総飛翔時間は754秒、約13分
遠心力やコリオリ力は無視しているが、それほど大きく差は無いと思う。

燃焼が終了した高度では空気抵抗がほとんどない人工衛星が飛ぶ高度以上、向きと速度が観測できれば着弾地点がわかるはず。3分後には着弾地点は計算できて、日本に落ちる可能性が無いことを判断できたと思います。

簡易的ですが、グラフに描くと、こんな感じというのがよくわかりますね。燃焼時間は、思っていたより短いと感じます。
実際は地球はまるいのですが、地面を平らとしてあらわしてあります。
高度と距離の比が等しくなるようにグラフを描きました。
















燃焼していた距離を地図でみると発射された場所から
300kmと、半島にかなり近い位置であることがわかる
自動代替テキストはありません。

2017年8月28日月曜日

電気自動車が普及すると、発電所が沢山必要になるのか?

電気自動車が普及したら、どの程度の発電所を追加する必要があるか?

100万台で100基とかウソっぽい計算をする人がいましたので、自分で計算してみることにしました。

運送用の大型貨物車(トラック)のEV化は、今後どうなるかわからないので、まずは、乗用車だけで計算してみましょう。
日本の乗用車の台数は、約5000万台です。また、平均の年間走行距離は、10575kmだそうです。
365日で割ると、一日の平均走行距離は29kmです。
電気自動車の電費は、車種によっていろいろになりますが、5km/kWh程度とします。
(調べると4~10km/kWhなので、少し悪い数値を使って、5km/kWhとしました。日産リーフは1kWhあたり10kmと言われていますので、その倍の電力を想定しています。)


そうすると、一台の平均は5.8kWh/台・日の電力消費量になります。
充放電の損失も考えて、6kWhとして計算しましょう、5千万台だと、合計で3億kWh/日です。
24時間で割ると、平均1250万キロワットの発電量が余計に必要になります。原発12~15基分くらいの発電所を増やさないと供給できない数値です。
これを年間で計算してみましょう。年間365日で、1095億kWh/年です。
現在の年間電力需要は1兆kWh/年よりやや少ない程度ですから、総需要が10%強伸びる程度です。
実際の電力需要は、照明をはじめとして省エネが進んでいますので、総需要は2007年をピークにすでに、10%くらいは減っています。さらに減ることが予想できます。今後、再生可能エネルギーによる発電もさらに拡大しますので、一般の乗用車が全てEVになっても、発電所の数は増やさなくても足りそうです。また、駐車している時間の長い一般の乗用車は再生可能エネルギーの発電量によって、充電電流を制御する事も可能で、再生可能エネルギーの調整の役割も可能であり、再生可能エネルギーとの親和性も高いといえます。

電気自動車の普及で、発電所をたくさん増やさないといけないというのは誤解です。

参考資料自動車の台数と走行距離
http://www.mlit.go.jp/jidosha/iinkai/seibi/5th/5-2.pdf

電力需要
http://www.fepc.or.jp/enterprise/jigyou/japan/

リーフの燃費
https://ev1.nissan.co.jp/LEAF/RORA/QUESTIONS/DETAIL/399





2017年8月8日火曜日

日本の自動車メーカーはどこに向かうのか?将来の車のスタイル

 トヨタ自動車とマツダは2017年8月4日、業務資本提携に関する合意書を締結したと発表した。彼らは何を目指すのだろうか?日本の自動車産業はどこで諸外国の競合と戦うのだろう?トヨタは今でも水素自動車の宣伝をやっているが、水素ステーションという高コストで扱いにくいインフラを全世界、津々浦々まで設置するなどありえない。そうなる主流はやはり電気自動車、EVのはずだ。

 私個人の見解としては、将来、車は大きく3つのスタイルに分かれる考えている。 1つ目は、アメリカなど大陸先進国スタイル、テスラが目指しているような電気自動車だ。住宅や職場が分散しており、車が生活必需品で、毎日100km以上走る車が多い人たちに向けた自動車だ。ステータスや趣味の要素も残ると考えられる。高速道路では早期に自動運転が導入されるであろう。ここでは、一回の充電での後続距離を要求される、大きめの車が望まれる。もちろん、家庭や職場の駐車場でも充電できるものが望まれる。


 2つ目は都市型、大都市では交通網が発達している一方で駐車場もコストがかかる。そこではカーシェアが普及する可能性がある。特にヨーロッパの都市やシンガポールなどではタクシーにとって代わり、自動運転化やコモディティー化が進むであろう。都市部で効率的に走行させるため、小型な車が主流になる。


 3つめは途上国型、二輪車の延長、途上国では今でもバイクに家族で乗っている姿を見る。荷物の運搬にはロバやラバを使っているところがある。これらの置き換えだ。移動距離は30kmくらいで生活に必要な道具である。スピードは不要、安価で省エネ、家庭用コンセントや数枚の太陽光発電で充電できるくらいの車である。ガソリン1リットルの価格が一日の日当より高い地域では先進国のような車は持てないし、もし中古の車を購入できてもガソリンが購入できない。そこで、コストが30~40万円程度、乗り心地は多少悪くても安価で実用になるEVが好まれるであろう。


 さて、この3つのスタイルのうち、日本のメーカーが狙うのはどこだろうか?アメリカに乗り込んでテスラなどと競争するのか?2つ目のカーシェアは市場としては大きくなる可能性がある。これはカーシェアビジネスと組んで進めるか、メーカー自ら取り組むかであるが、日本のメーカーは取り組みが進んでいない。3ついては、日本のベンチャー、テラモーターズなどが狙っている、市場は大きいが、技術的な参入障壁が低そうなので、どこで差別化するかは難しい。


 今年はヨーロッパなので内燃機関の車を廃止する動きが始まり、自動車メーカーは大きな岐路に立たされている。車載情報機器などと言っているが、極端な話、スマートフォンを持ち込めば済むようなシステムにわざわざお金を出すとは思えない。個性や走りなど、モーターの制御でガソリンエンジンなどと比較すると簡単に調整できてしまう。どこで差別化するのだろうか。
 一つだ
け言えることは、自動車にとって、更なる省エネ、死亡事故ゼロ化などの安全性、盗難防止、省スペースなど、多くのやるべき課題が残っている。電気自動車であれば蓄電池の性能向上。これらの基本的な課題に愚直に取り組むメーカーが最後に残るような気がする。自動車メーカーやその傘下の方々、日本の自動車産業はどこに向かうべきか、あちこちで議論して、斜陽産業とならないようにしてほしい。

2017年7月31日月曜日

同じ化石燃料を使うのに、電気自動車とガソリンやディーゼル車とどちらが良いか?

フランスやイギリスで「2040年以降、ガソリン車やディーゼル車など化石燃料を使う内燃機関の車を禁止」が発表されてから、電気自動車(EV)の開発加速が始まった。
そうすると、すぐに「火力でつくる電力のコストが、火力(内燃機関)より安くなることは原理的にありえない。」と言い出す評論家が出てきた。さらに「可能性があるのは原発だけ」と、原発推進派が喜んでいる様だ。

モーターは速度に応じた最適な制御が出来て、回生ブレーキで車にブレーキをかけるときに、車の運動エネルギーを電気エネルギーに戻すことができるから、より少ない内燃機関より電気モーターの方が有利である。そこで、ざっと計算してみよう。テスラによると、100kWhの充電で400km以上走ることができるという。1kWhは3600kJ(キロ ジュール)100kWhは360,000kJこれで400km走るから、1kmあたりにすると900kJである。
ガソリン1リットルが燃焼したときの発熱量は34,500kJ、燃費の良い自動車でリッター20km程度
1kmあたり1725kJ,、電力量に換算すると0.48kWh

火力発電の効率だが、最新のガスコンバインドサイクルでは60%を超える効率の発電所が出てきている。火力の場合は火力発電の効率も計算に入れる必要がある。すると、
900÷0.6=1500kJの火力発電用の燃料が必要という計算になる。発電したものを充電して使った方が若干良いかほぼ同じになる。

火力発電の場合、排熱利用もできるし、排気ガスの処理も一括して行える。二酸化炭素の回収もやろうとすれば自動車よりやりやす。燃料も様々なものを使うことができる。ガソリンの流通コストより、送電の方が、エネルギーで考えると、経費も安いということで、火力発電所で発電した電力で自動車を動かす方が、内燃機関で自動車を動かすより、環境にも良くて、コストも安そうだ。

さらに、電気自動車の場合は充電池があるため、火力だけではなく、再生可能エネルギーを使いやす。車を24時間稼働させている人は少ないだろう。再生可能エネルギーの余っている時間帯に充電すれば、安い電気で走ることができるようになるだろう。また、自宅や職場で太陽光発電で充電しても良い。土日や買い物程度にしか車を使わない人の場合、車庫に設置した太陽光パネルで十分充電できるようになるかもしれない。


電気自動車はいかに、軽くて安くて長寿命の蓄電池(二次電池)を開発できるかで、差別化できます。今後さらに蓄電池開発の競争が激しくなることが予想ます。その結果、充電コストが下がり、発電の変動が多い太陽光や風力発電が使いやすくなり、普及に拍車がかかることは間違いない。

ヨーロッパ各国は、電気自動車が自国の利益に貢献できることをわかって、2040年の規制に踏み切ったと思う。日本も遅れをとらないような、政策をかんがえるべきだ。