ロケット以外の宇宙打ち上げ

非ロケット宇宙打ち上げとは、軌道に到達するために必要な速度と高度のほとんどが、ロケット方程式の制限を受けない推進技術によって提供される宇宙への打ち上げの理論的概念を指します。^[1]現在までの宇宙打ち上げはすべてロケットでしたが、ロケットに代わる多くの方法が提案されています。^[2]コンビネーション打ち上げシステム、スカイフック、ロケットスレッド打ち上げ、ロックーン、またはエアローンチなどの一部のシステムでは、総デルタvの一部が、ロケット推進を使用して直接的または間接的に提供される場合があります。

現在の打ち上げコストは非常に高く、地球から低軌道(LEO)まで1 キログラムあたり 2,500 ～ 25,000 ドルかかります。その結果、打ち上げコストはすべての宇宙活動のコストの大きな割合を占めています。打ち上げコストを安くできれば、宇宙ミッションの総コストは削減されます。ロケット方程式の指数関数的性質により、他の手段で LEO への速度を少しでも上げると、軌道に乗るコストを大幅に削減できる可能性があります。

1キログラムあたり数百ドルの打ち上げコストは、宇宙植民地化、宇宙太陽光発電^[3]、火星のテラフォーミング^[4]など、提案されている多くの大規模宇宙プロジェクトを可能にするだろう。

この用法では、「静的」という用語は、システムの構造部分に内部の可動部品がないという理解を伝えることを目的としています。

スペースタワーは、宇宙空間に到達するタワーです。軌道速度で打ち上げられた乗り物が近地点を上げる必要を直ちに回避するために、タワーは宇宙空間の端（100 kmのカルマン線より上）より上に伸びる必要がありますが、 ^{[26]タワーの高さをはるかに低くすることで上昇中の大気の抵抗損失を減らすことができます。タワーが約35,999 km（22,369マイル）の}静止軌道まで到達した場合、その高さで放出された物体は最小限の電力で漂い、円軌道上になります。静止軌道に到達する構造物のコンセプトは、コンスタンチン・ツィオルコフスキーによって最初に考案されました。^[27] ツィオルコフスキーが構想した最初のコンセプトは圧縮構造でした。そのような条件下で自重を支えるのに十分な圧縮強度を持つ材料が存在しなかったため、圧縮構造をゼロから構築することは非現実的な作業であることが判明しました。^[28] 他には、非常に高い圧縮タワーを使用して打ち上げ機への負荷を軽減するというアイデアがある。ロケットはタワーの上に「持ち上げられ」、タワーは大気圏上に伸び、上から打ち上げられる。20 km (12 mi) の近宇宙高度に到達するためのこのような高いタワーは、さまざまな研究者によって提案されている。^{[29] [30]}

ロケット以外の宇宙打ち上げ用の張力構造は、長くて非常に強いケーブル（テザーと呼ばれる）を使用してペイロードを宇宙に打ち上げるという提案です。テザーは宇宙に入った後に軌道を変更するためにも使用できます。

軌道テザーは潮汐ロック（スカイフック）または回転（ロータベータ）することができます。それらは（理論上は）ペイロードが静止しているとき、またはペイロードが極超音速（軌道速度は高くないが）のときにペイロードを拾うように設計することができます。^[要出典]

大気圏内のテザーは、大型の従来型航空機（亜音速または低超音速）またはその他の動力源と小型の空力車両との間で運動力学（エネルギーと運動量）を転送するために使用でき、特殊な推進システムを使用せずに極超音速まで推進することができます。^{[引用が必要]}

スカイフックは、ペイロードを高高度・高速度まで持ち上げることを目的とした軌道上テザー推進の理論上のクラスである。^{[31] [32]}スカイフックの提案には、高速ペイロードや高高度航空機を捕捉して軌道に乗せるために極超音速で回転するテザーを使用する設計が含まれている。^[33]

宇宙エレベーターは、提案されている宇宙輸送システムの一種です。^[34]その主な構成要素は、表面に固定され、静止軌道のレベルより上の宇宙空間に伸びるリボン状のケーブル（テザーとも呼ばれる）です。惑星が回転すると、テザーの上端の遠心力が重力に対抗し、ケーブルを張った状態に保ちます。その後、乗り物はテザーを登り、ロケット推進を使わずに軌道に到達できます。

このようなケーブルは、地表に近づくにつれてケーブルの直径を十分急速に細くすることで、張力下でケーブル自体を支えることができる任意の材料から作ることができます。比較的強い重力を持つ地球では、現在の材料は十分に強くて軽量ではありません。従来の材料では、テーパー比を非常に大きくする必要があり、総打ち上げ質量が財政的に実現不可能なレベルまで増加します。しかし、カーボンナノチューブ、または窒化ホウ素ナノチューブベースの材料が、テザー設計の張力要素として提案されています。測定された強度は、線密度と比較して高く、地球ベースの宇宙エレベーターを可能にする材料として有望です。^[35]

ランディスとカファレリは、静止軌道から下方に伸びる張力構造（「宇宙エレベーター」）を、地表から上方に伸びる圧縮構造（「ツィオルコフスキータワー」）と組み合わせることで、地表から静止軌道に達する複合構造を形成し、どちらか一方だけよりも構造上の利点を持つことができると示唆した。^[28]

宇宙エレベーターのコンセプトは、他の惑星や天体にも適用できます。太陽系内で地球よりも重力が弱い場所（月や火星など）では、テザー材料の強度と密度の要件はそれほど厳しくありません。現在入手可能な材料（ケブラーなど）は、そこでのエレベーターのテザー材料として使用できます。

大気圏内テザーは、大気圏内の長いケーブルを使用して、軌道に到達するために必要な速度の一部または全部を提供します。テザーは、空気力学または求心作用を通じて、巨大で低速の端（通常は大型の亜音速または低超音速航空機）から極超音速の端に運動力（エネルギーと運動量）を伝達するために使用されます。Kite （Kinetics Interchange TEther）ランチャーは、提案されている大気圏内テザーの1つです。^[14]

スペースファウンテンは、構造が静止軌道上にある必要がなく、支持のために引張強度に依存しない宇宙エレベーターの提案された形式です。元の宇宙エレベーターの設計（テザー衛星）とは対照的に、スペースファウンテンは地面から上方に伸びる途方もなく高い塔です。このような高い塔は従来の材料では自重を支えることができないため、巨大なペレットが塔の底から上向きに発射され、頂上に到達すると再び下向きに方向転換され、方向転換の力で塔の上部が空中に保持されます。^[36]

軌道リングは、低軌道上に吊り下げられた人工的に構築された巨大なリングの概念であり、軌道速度よりわずかに高い速度で回転し、地面に固定されたテザーが垂れ下がる。^[37]

1982年に英国惑星間協会誌に掲載された一連の論文の中で、^[13] ポール・バーチは軌道リングシステムの概念を提示した。彼は、低地球軌道上に設置され、軌道速度よりわずかに速い速度で回転する回転ケーブルを提案した。軌道上にはないが、このリング上には超伝導磁石で電磁的に支えられたリングステーションがあり、地球上の指定された地点の上空1か所に留まっている。これらのリングステーションから、引張強度と質量の比が高いケーブルで作られた短い宇宙エレベーターが垂れ下がっている。バーチは、リングステーションはテザーを保持するだけでなく、軌道リングを東向きに加速し、地球の周りを歳差運動させることができると主張した。

1982年、ベラルーシの発明家アナトリー・ユニツキーも地球を周回する電磁軌道を提案し、これを「弦輸送システム」と名付けた。弦の速度が10km/秒を超えると、遠心力によって弦が地球の表面から剥離し、リングが宇宙空間に浮かび上がる。^[38]

発射ループまたはロフストロム ループは、ベルトベースの磁気浮上 軌道発射システムの設計であり、長さは約 2,000 km、高度は最大 80 km (50 マイル) に維持されます。重量 5 トンの車両は、加速トラックを形成するケーブルの上で電磁的に加速され、そこから地球の軌道またはそれ以上に発射されます。構造物を所定の位置に維持するには、常に約 200 MW の電力が必要です。^{[引用が必要]}

このシステムは、最大3Gの加速度で宇宙旅行、宇宙探査、宇宙植民地化のために人間を打ち上げるのに適した設計となっている。 ^[39]

提案されている設計の 1 つは、低密度のガス混合物で膨らませた高強度材料 (ケブラーなど) の管状柱で構成された自立式タワーで、ジャイロスコープや「圧力バランス」などの動的安定化システムを備えています。^[40]他の宇宙エレベーターの設計と比較した場合の利点として、他の設計で必要な長い構造物での作業を回避すること、軌道上ではなく地上から建設すること、設計の実用的な範囲内で高度の全範囲に機能的にアクセスできることが挙げられます。提示された設計は「高度 5 km から海抜 20 km まで」であり、著者は「このアプローチをさらに拡大して、高度 200 km を超える高度に直接アクセスできるようにすることも可能」と示唆しています。

このような塔の主な問題点は、細長い構造であるため、座屈が起きやすいことです。

これらの発射体発射装置はいずれも、地上レベルまたは地上レベル付近で高速で発射します。軌道に到達するには、追加の推進システム (ロケットなど) が装備されていない限り、発射体に大気圏を突き抜けるのに十分な速度を追加する必要があります。また、発射体には、軌道投入を実行するための内部または外部の手段が必要です。以下の設計は、電気駆動、化学駆動、機械駆動の 3 つのカテゴリに分類されます。

電気発射システムには、マスドライバー、レールガン、コイルガンが含まれます。これらのシステムはすべて、発射体を加速するために何らかの形のリニア電気モーターを使用する固定発射トラックの概念を採用しています。

本質的には、マスドライバーとは、ペイロードを軌道速度または準軌道速度まで加速するための、非常に長く、主に水平に配置された発射トラックまたはトンネルです。この概念は1950年にアーサー・C・クラークによって提案され、 ^[41]ジェラルド・K・オニールが宇宙研究所と協力して、月から物質を打ち上げるためのマスドライバーの使用に焦点を当てて より詳細に開発しました。

マス ドライバーは、何らかの反発力を利用して、ペイロードをトラックや壁から分離します。次に、リニア モーター(コイル ガンなどの交流モーター、またはレールガンなどの単極モーター) を使用して、ペイロードを高速に加速します。発射トラックを離れた後、ペイロードは発射時の速度になります。

スタートラムは、マス ドライバーで加速して宇宙に直接乗り物を打ち上げるという提案です。乗り物は、アルミニウム コイルからの AC 磁気駆動によって加速されながら、乗り物の超伝導磁石とアルミニウム トンネル壁の間の磁気浮上反発によって浮上します。必要な電力は、トンネルに沿って分散された超伝導エネルギー貯蔵ユニットによって供給される可能性があります。乗り物は、低軌道または静止軌道の高度まで惰性で上昇できます。その後、軌道を円形にするには、小型ロケット モーターの燃焼が必要になります。

貨物のみの第 1 世代システムは 10～20 G で加速し、山頂から脱出します。乗客の搭乗には適していませんが、1 キログラムあたり 40 ドルで貨物を軌道に乗せることができ、ロケットの 100 分の 1 のコストで済みます。

乗客を乗せることができる第2世代システムは、2Gでより長い距離を加速する。車両は、ケブラー製のテザーで拘束され、トンネル内と地上の超伝導ケーブル間の磁気反発力で支えられた真空トンネルから高度20kmで大気圏に突入する。第1世代と第2世代のどちらのシステムでも、車両の加速中はチューブの口が開いており、磁気流体力学ポンプによって空気が入らないようになっている。^{[15] [42] [43]}

スペースガンは、大型の銃、または大砲を使用して物体を宇宙空間に打ち上げる方法として提案されています。SF作家のジュール・ヴェルヌは『月世界行』でそのような打ち上げ方法を提案し、1902年には『月世界旅行』という映画が作られました。

しかし、地球の地殻と対流圏の両方を貫通する「砲身」があっても、脱出速度を生み出すために必要な重力加速度は、人間が耐えられる範囲を超えています。したがって、宇宙銃は貨物や耐久性のある衛星に限定されます。また、発射体は軌道上で安定させるために内部または外部の手段が必要です。

銃の発射コンセプトでは、必ずしも燃焼が使用されるわけではありません。空気圧発射システムでは、発射体は地上のタービンまたはその他の手段によって生成される空気圧によって長い管内で加速されます。軽ガス銃では、ガス中の音速を最大化するために、圧力剤は分子量の軽いガスです。

グリーン・ローンチのジョン・ハンター氏は、通常の打ち上げコストよりも安いコストで無人ペイロードを軌道に打ち上げるために「水素ガン」の使用を提案している。

ラム加速器もスペースガンのように化学エネルギーを使用しますが、ラムジェットやスクラムジェットの燃焼プロセスを利用したジェットエンジンのような推進サイクルを利用して発射体を超高速に加速するという点でまったく異なります。これは、可燃性ガスの混合物で満たされた長いチューブで、両端にガスを封じ込めるための壊れやすいダイヤフラムが付いています。ラムジェットコアのような形をした発射体は、別の手段（たとえば、前述のスペースガン）によって超音速で最初のダイヤフラムからチューブの端に発射されます。次に、ガスを燃料として燃焼させ、ジェット推進でチューブを加速します。速度が上がると、他の物理法則が作用します。

爆風加速器は宇宙銃に似ていますが、加速を高く保つために銃身の全長に沿って爆薬の輪が順番に爆発する点が異なります。また、爆風加速器は発射体の後ろの圧力だけに頼るのではなく、先細りの端を絞ってカボチャの種を発射するときのように、発射体のテールコーンを絞るように爆発のタイミングを特別に調整します。

スリンガトロン^{[23] [44]では、} 発射体は、通常、円形または螺旋状の曲がり、または2次元または3次元でのこれらの形状の組み合わせを持つ剛性チューブまたはトラックに沿って加速されます。発射体は、チューブの向きを変えずに、一定または増加する周波数の小振幅の円運動でチューブ全体を推進することにより、湾曲したチューブ内で加速されます。つまり、チューブ全体が旋回しますが、回転しません。この動きの日常的な例は、容器を持って小さな水平方向の円を描くように動かし、容器自体は回転せずに、内容物を回転させることによって飲み物をかき混ぜることです。

この回転により、発射体に作用する求心力の方向に沿った成分でチューブが継続的に変位するため、発射体が機械内を前進する間、発射体に継続的に作業が行われます。発射体に作用する求心力は加速力であり、発射体の質量に比例し、軌道の曲率半径に反比例します。

スリンガトロンは、現在入手可能な材料 (ダイニーマなど) で作られた回転テザーをベースにした同様の円形発射装置よりもはるかに高速化が可能です。回転テザーの最大先端速度は、その絶対的な規模に関係なく、その材料の強度と重量の比率によって制限されます。これは、テザーが求心加速度下で自身の質量と発射体の質量を支えなければならないためです。スリンガトロンでは、発射体の遠心力が代わりに回転しない構造に反応し、必要に応じて最大限に大きくすることができます。

この力を実際にガイドチューブと超高速発射体の間に適用することが、スリンガトロンの主な技術的課題の 1 つです。スリンガトロンの発明者である Derek A. Tidman 博士は、最初の論文で、摩擦をなくすには、発射体を真空チューブ内で磁気浮上によって支える必要があると想定しました。その後、Tidman 博士は、代わりに、アブレーション表面を持つ発射体がガイドチューブの壁に直接スライドできると提案しました。高速では、蒸発した発射体の表面がガスのクッションを形成し、発射体がそれに沿って移動するため、摩擦が最小限に抑えられます。彼は、摩擦で失われるエネルギーのほとんどが、ガイドチューブを侵食するのではなくアブレータの蒸発に使われると予測し、銃身の摩耗の点でスリンガトロンは軽量ガス銃に匹敵するようになりました。

この摩擦が、与えられた発射体の質量と発射速度に対して、スリンガトロンの最小サイズを決定します。与えられた速度では、トラックが小さいほど、発射体はより高い求心加速度を経験し、トラックに強く押し付けられて摩擦が増加します。摩擦が高すぎると、発射体は加速できません。また、単純な回転テザーと同じ先端速度制限を受けるため、トラックの回転運動の振幅を増やして補償することもできません。しかし、ティドマンの分析によると、1ポンド（454g）の発射体を6km/s（軌道速度の約80％）で発射するスリンガトロンは、直径11.2メートルほどの大きさになる可能性がありますが、^[45] 10,000rpmを超えると、そのようなランチャーは一部のハードディスクよりも高速な回転速度が必要になります。

ティドマンの後のスリンガトロンの設計はすべて、円形の軌道ではなく螺旋状の軌道を使用している。発射体は中央から始まり、軌道が一定速度で回転する間に外側に移動するにつれて複数回転して加速する。これにより発射体の位相が保たれるだけでなく、モーターに十分なパワーがあれば、機械は連射モードで動作し、1回転あたり1回という頻度で発射体を発射することができる。ティドマンは2019年に亡くなった。^[46]

アメリカの航空宇宙企業スピンローンチは、真空密閉遠心分離機のアームに搭載されたペイロードを加速し、最高時速4,700マイル（時速7,500キロメートル、秒速2.1キロメートル）で宇宙に打ち上げる運動エネルギー打ち上げシステムを開発している。その後、ロケットは高度約200,000フィート（60キロメートル）でエンジンを点火し、最大200キログラムのペイロードを載せて軌道速度17,150マイル（時速27,600キロメートル、秒速7.666キロメートル）に達する。スピンローンチは2023年現在、3分の1規模のプロトタイプで数回の打ち上げテストに成功している。

空中打ち上げでは、運搬航空機が宇宙船を高高度まで運び、高速で飛ばしてから放出します。この技術は、弾道ロケット X-15 やSpaceshipOne、およびペガサス軌道ロケットで使用されました。

主な欠点は、空母機がかなり大型になる傾向があり、与えられるブーストが比較的小さいため、超音速での気流の分離が実証されたことがないことです。

スペースプレーンは、宇宙の端を通過するように設計された航空機です。航空機のいくつかの特徴と宇宙船のいくつかの特徴を組み合わせたものです。通常、空気力学的表面、1 つ以上のロケット エンジン、場合によっては追加の空気吸入式推進装置を備えた宇宙船の形をとります。

初期のスペースプレーンは極超音速飛行の研究に使用されました（例：X-15）。^[47]

スクラムジェットやパルスデトネーションエンジンをベースにした航空機など、空気吸入エンジンをベースにした設計（X-30を参照）の中には、軌道速度を達成できる、または軌道速度達成に向けて何らかの有効な手段を講じることができるものもあります。しかし、これらの設計では、大気圏への帰還を避けるために、遠地点で最終的なロケット燃焼を行って軌道を円形にする必要があります。その他の再利用可能なターボジェットのような設計（ロケットを使用して軌道に入る前に、予冷ジェットエンジンをマッハ 5.5 まで使用するSkylonなど）は、純粋なロケットよりも大きなペイロードを 1 段階で達成できる質量予算を持っているようです。

気球はロケットの初期高度を上げることができます。しかし、気球の積載量は比較的低く (ただし、低層大気での使用を目的とした重量物運搬気球の例としてSky Catプロジェクトを参照)、高度が上がるにつれて積載量はさらに減少します。

浮上ガスはヘリウムまたは水素です。ヘリウムは大量に使用すると高価になるだけでなく、再生不可能な資源でもあります。このため、気球は高価な打ち上げ補助技術となります。水素はヘリウムよりも安価で軽量という利点がありますが、非常に可燃性が高いという欠点もあります。気球から打ち上げられるロケットは「ロックーン」と呼ばれ、実証されていますが、これまでのところ、弾道飛行（「探査ロケット」）ミッションに限られています。軌道打ち上げ機を持ち上げるのに必要な気球のサイズは、非常に大きくなります。

JPエアロスペース社は「プロジェクト・タンデム」として気球打ち上げプラットフォームの試作機を製作したが^[48]、ロケット打ち上げ機としては使われていない。JPエアロスペース社はさらに、超音速で空気より軽い上段ロケットを提案している。スペインの企業であるゼロ2インフィニティ社は、ロックーンのコンセプトに基づいてブルースターと呼ばれる発射システムを正式に開発しており、2018年までに運用開始が予定されている。^{[49] [更新が必要]}

ジェラルド・K・オニールは、非常に大きな気球を使うことで成層圏に宇宙港を建設できるかもしれないと提案した。そこからロケットを打ち上げることも、マスドライバーでペイロードを軌道に乗せることもできる。^{[50]これには、大気圏の大部分（約90%）が宇宙港の下にあるという利点がある。スペースシャフトは、大気圏浮力構造の提案版で、貨物を}宇宙 高度近くまで持ち上げるシステムとして機能し、複数の高度に分散したプラットフォームが中層大気圏および宇宙高度近くでの長期にわたる人間の活動のための居住施設を提供する。 ^{[51] [52] [53]}宇宙打ち上げでは、上から打ち上げられるロケットの非ロケット第一段として機能する。^[52]

別々の技術を組み合わせることもできる。2010年にNASAは、将来のスクラムジェット航空機を電磁気またはその他のそり打ち上げ補助によって300m/sまで加速し（気流速度がゼロではラムジェットエンジンが始動できない問題の解決策） 、次に第2段ロケットを空中で打ち上げて衛星を軌道に乗せる可能性があることを示唆した。^[54]

あらゆる形態の発射体は、低軌道に打ち上げる場合には、軌道円形化の要件のため、少なくとも部分的にハイブリッドシステムであり、近地点を上げるために総デルタvの約1.5％を必要とし（例えば、小さなロケットの燃焼）、またはいくつかの概念では、地上加速器の開発を容易にするためにロケットスラスタからはるかに多くのデルタvを必要とします。[ ^15]

一部の技術は単独で使用すると指数関数的に拡大するため、組み合わせた場合の効果は直感に反する大きさになる。例えば、270m/sは低軌道の速度の4%未満だが、NASAの研究では、その速度でマグリフターのそりを打ち上げると、従来のELV ロケットの積載量を80%増加させることができ、さらにトラックを3000メートルの山まで登らせることができると推定されている。^[55]

地上打ち上げの形態が、与えられた最大加速度に制限されている場合（例えば、乗客を運ぶことを意図している場合の人間の重力加速度の許容値によるものなど）、対応する最小のロケットの長さは線形ではなく速度の二乗でスケーリングされます。 ^{[56]テザーはさらに非線形の指数関数的なスケーリングを持つことができます。}宇宙テザーのテザー対ペイロードの質量比は、先端速度がその特性速度の60％のときに約1：1ですが、先端速度がその特性速度の240％のときに1000：1以上になります。たとえば、予想される実用性と現在の材料での適度な質量比のために、HASTOLコンセプトでは、軌道への速度の最初の半分（4 km / s）は、テザー自体以外の手段によって提供されます。^[11]

マスドライバーで最初の浮上を行い、その後に波長順に並べられた地上設置型レーザーで追加的に推力を加えるハイブリッドシステムを使用するという提案は、マシャル・サベージの著書『ミレニアル・プロジェクト』の中核テーマの1つとして提案されたが、このアイデアは目立ったほどには追求されていない。サベージの具体的な提案は、工学的および政治的な理由から実現不可能であることが判明し、困難は克服できたものの、サベージが設立したグループ（現在はリビング・ユニバース財団と呼ばれる）は、研究のために十分な資金を調達することができなかった。

複数の技術を組み合わせることは、それ自体が複雑さと開発上の課題の増加につながりますが、特定のサブシステムの性能要件を削減することで、個々の複雑さやコストを削減できる可能性があります。たとえば、液体燃料ロケットエンジンの部品数は、デルタv要件が重量のペナルティを許容できるほど制限されている場合、ポンプ供給ではなく圧力供給にすると2桁少なくなる可能性があります。また、高速地上発射機では、比較的中程度の性能で安価な固体燃料またはハイブリッド小型モーターを発射体に使用できる可能性があります。^{[57]ロケット以外の方法による}支援により、軌道ロケットを再利用可能にすることで生じる重量のペナルティを補うことができます。弾道飛行ではあるものの、民間初の有人宇宙船であるスペースシップワンは、空中発射と組み合わせたシステムであったため、ロケットの性能要件が軽減されました。^[58]

• 軌道への空中発射
• 軌道打ち上げシステムの比較
• ホッパー（宇宙船）
• マスドライバー
• 宇宙船の推進

ウィキメディア・コモンズには、非ロケット宇宙打ち上げに関連するメディアがあります。

• 宇宙輸送と工学方法の標準リスト
• 地球から軌道への輸送に関する参考文献、地球から軌道への輸送に関する新しい方法についての広範な出版物
• 軌道弾道プログラム宇宙船文書
• Google Lunar X PRIZE 2016-03-05にWayback Machineでアーカイブ、いくつかの商業的な取り組み