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宇宙力学およびロケット工学において、重力損失とは、ロケットが重力場内で推力を発生させている間に、ロケットの正味性能がどれだけ低下するかを示す指標である。言い換えれば、重力場内でロケットを支え続けるためのコストである。
重力損失は、推力が加えられる時間と推力が加えられる方向によって決まります。最大推力を短時間加え、局所的な重力場から直接離れる方向に推力を加えることを避けると、デルタvに対する重力損失の割合は最小限に抑えられます。しかし、打ち上げおよび上昇段階では、推力の大部分が重力とは逆方向であるため、重力損失が大きくなり、長期間にわたって推力を加える必要があります。たとえば、低地球軌道 で7.8 km/sの速度に達するには、デルタvが9～10 km/s必要です。追加の1.5～2 km/sのデルタvは、重力損失、操舵損失、および大気抵抗によるものです。
重力場の強さがgである中で、質量が一定の乗り物が単位質量あたり一定の推力aで垂直方向に加速しているという単純化されたケースを考えてみましょう。乗り物の実際の加速度はa - gであり、単位時間あたりaの割合でΔvを使用しています。
宇宙船の速度の変化は時間tの間 ( a - g ) tであり、消費されたデルタ v はatです。重力損失はこれらの数値の差であり、gtです。デルタ v に対する比率として、重力損失はg / aです。
非常に短い時間で非常に大きな推力を加えることで、重力損失をほとんど伴わずに所望の速度増加を達成できます。一方、aがgよりわずかに大きいだけの場合、重力損失はΔvの大きな割合を占めます。重力損失は、必要なΔvを瞬時にすべて消費できないために必要となる余分なΔvとして説明できます。
この効果は、以下の2つの同等な方法で説明できる。
これらの効果は、低地球軌道（LEO）への打ち上げ時やLEOから脱出軌道への上昇時など、比軌道エネルギーの高い軌道へ上昇する際に常に適用されます。これは最悪のケースの計算であり、実際には、打ち上げ軌道が垂直に保たれず、推進剤の消費や段分離によって機体の質量が一定ではないため、打ち上げおよび上昇中の重力損失はgtの最大値よりも小さくなります。
推力はベクトル量であり、推力の方向は重力損失の大きさに大きな影響を与えます。例えば、質量mのロケットでは、重力損失によって上向きの 3 mg の推力は 2 g の加速度に減少します。しかし、同じ 3 mgの推力でも、上向きの成分が 1 mgで重力によって完全に相殺され、水平方向の成分が mg× となるような角度で方向付けることができます。= 2.8 mg (ピタゴラスの定理による)、水平方向の加速度は 2.8 gとなる。
軌道速度に近づくと、地球の中心を周回する回転座標系において遠心力がロケットにかかる重力の大部分を相殺するため、垂直方向の推力を減らすことができ、より多くの推力を加速に利用できるようになります。したがって、重力損失は、重力（ロケットのベクトルに関係なく）から遠心力を引いた積分として表すこともできます。この観点からすると、宇宙船が軌道に到達した後も重力損失は続きますが、遠心力によって完全に相殺されます。ロケットは打ち上げ時に遠心力が非常に小さいため、単位時間あたりの正味の重力損失は離陸時に大きくなります。
宇宙船の打ち上げにおいて、重力損失を最小限に抑えることだけが目的ではありません。むしろ、目的は目標軌道に必要な位置と速度の組み合わせを達成することです。例えば、加速を最大化するには真下に推力を加えるのが理想的ですが、軌道到達を目指すロケットにとって、真下に推力を加えることは明らかに現実的な選択肢ではありません。
