軌道上の宇宙飛行

軌道宇宙飛行（または軌道飛行）は、宇宙船が少なくとも1周間宇宙に留まることができる軌道上に配置される宇宙飛行である。地球の周りを周回するには、宇宙船は近地点高度（最接近高度）が約80キロメートル（50マイル）の自由軌道上になければならない。これは、 NASA、米国空軍、FAAによって定義された宇宙の境界である。この高度で軌道上に留まるには、約7.8 km/sの軌道速度が必要である。軌道速度はより高い軌道では遅くなるが、それに到達するにはより大きなデルタvが必要である。国際航空連盟は、航空学と宇宙航行学の境界の暫定的な定義として、高度100 km（62マイル）のカルマンラインを確立した。これが使われるのは、セオドア・フォン・カルマンが計算したように、高度約100km（62マイル）では、車両が大気から十分な揚力を得て自立するためには、軌道速度よりも速く移動する必要があるためである。 ^{[1] : 84  [2]}

大気の抵抗により、円軌道上の物体が推進力なしで少なくとも 1 回転できる最低高度は約 150 キロメートル (93 マイル) です。

「軌道宇宙飛行」という表現は、宇宙船の遠地点は宇宙に到達するが近地点が低すぎる飛行である亜軌道宇宙飛行と区別するために主に使用されます。 ^[3]

地球の周りを回る軌道には、低軌道(LEO)、中軌道(MEO)、静止軌道(GEO) という 3 つの主な「帯」があります。

軌道力学によれば、軌道は地球の周りの特定のほぼ固定された平面にあり、地球の中心と一致し、赤道に対して傾いている場合があります。宇宙船の相対的な動きと、地球が自転するときの地球表面の動きにより、地上から宇宙船が空に見える位置と、宇宙船から地球のどの部分が見えるかが決まります。

宇宙船が地球のどの部分の真上にあるかを示す 地上軌道を計算することが可能であり、これは軌道を視覚化するのに役立ちます。

地球からの軌道宇宙飛行は、推進力としてロケット エンジンを使用する打ち上げ機によってのみ達成されています。軌道に到達するには、ロケットはペイロードに約 9.3～10 km/s のデルタ v を与える必要があります。この数値は主に (約 7.8 km/s) 軌道速度に到達するために必要な水平加速ですが、大気抵抗(長さ 20 m の高密度燃料搭載機の弾道係数で約 300 m/s )、重力損失(燃焼時間、軌道と打ち上げ機の詳細によって異なります)、および高度の上昇も考慮されています。

実証されている主な技術は、重力ターンをしながら数キロメートルほぼ垂直に打ち上げ、高度170キロメートル以上で軌道を徐々に平坦にし、水平軌道で加速し（ロケットを上向きに傾けて重力に逆らって高度を維持する）、軌道速度に達するまで5～8分間燃焼させるというものである。現在、必要なデルタvを達成するには2～4段が必要である。ほとんどの打ち上げは使い捨ての打ち上げシステムによって行われている。

一方、小型衛星用のペガサスロケットは、高度39,000フィート（12 km）の航空機から打ち上げられます。

軌道上の宇宙飛行を実現する方法として、ロケットよりもはるかに安価になる可能性のあるものが数多く提案されている。宇宙エレベーターやロータリーエンジンなど、これらのアイデアのいくつかは、現在知られているものよりもはるかに強力な新素材を必要とする。提案されている他のアイデアには、ローンチループなどの地上加速器、反応エンジンスカイロンなどのロケット支援航空機/スペースプレーン、スクラムジェット駆動のスペースプレーン、RBCC駆動のスペースプレーンなどがある。貨物用のガン打ち上げが提案されている。

2015年から、SpaceXは軌道宇宙飛行のコストを削減するためのより漸進的なアプローチで大きな進歩を示してきました。コスト削減の可能性は主に、再利用可能なロケットブースターステージとDragonカプセルによる先駆的な推進着陸から生まれますが、ペイロードフェアリングなどの他のコンポーネントの再利用や、 SuperDracoなどのより効率的なロケットエンジンを製造するための超合金の3Dプリントの使用も含まれます。これらの改善の初期段階では、軌道打ち上げのコストを桁違いに削減できる可能性があります。^[4]

高度約200km未満の軌道上にある物体は、大気の抵抗により不安定であると見なされます。衛星が安定した軌道（数か月以上持続可能）にあるためには、低軌道では350kmの高度がより標準的です。たとえば、1958年2月1日、エクスプローラー1号衛星は近地点高度358km（222マイル）の軌道に打ち上げられました。 ^[5]この衛星は1970年3月31日に太平洋上で 大気圏に再突入するまで12年以上軌道上に留まりました。

しかし、軌道上の物体の正確な動作は、高度、弾道係数、および上層大気の高度に影響を与える可能性のある 宇宙天気の詳細によって異なります。

宇宙飛行において、軌道操作とは推進システムを使用して宇宙船の軌道を変更することです。地球から遠く離れた宇宙船、たとえば太陽の周りを周回する宇宙船の場合、軌道操作は深宇宙操作 (DSM) と呼ばれます。

帰還する宇宙船（すべての有人宇宙船を含む）は、大気の上層にいる間にできるだけ減速し、地面への衝突（岩石ブレーキング）や炎上を回避する方法を見つけなければならない。多くの軌道宇宙飛行では、初期減速は宇宙船のロケットエンジンを逆噴射して軌道を乱し（近地点を大気圏に下げる）、弾道軌道に乗せる。低地球軌道にある多くの宇宙船（例えば、ナノ衛星や、ステーションキーピング燃料を使い果たしたか、その他の理由で機能していない宇宙船）は、大気抵抗（エアロブレーキング）を利用して初期減速を行うことで、軌道速度からの減速の問題を解決している。いずれの場合も、初期減速によって軌道近地点が中間圏に下がると、すべての宇宙船はエアロブレーキングの大気抵抗効果により、残りの速度のほとんど、つまり運動エネルギーのほとんどを失う。

意図的なエアロブレーキングは、極超音速で大気圏を通過する際に生じる大気の圧縮と摩擦によって発生する高温から宇宙船を保護するために、帰還する宇宙船の向きを変えて熱シールドを大気圏に向けて前方に向けることで実現します。熱エネルギーは主に、鈍角形状の熱シールドを使用して、機体前方の衝撃波で空気を圧縮加熱することで放散され、機体に入る熱を最小限に抑えることを目的としています。

弾道飛行では速度がはるかに遅いため、再突入時にそれほど多くの熱は 発生しません^{（さらに説明が必要） 。}

軌道上の物体が使い捨てであっても、ほとんどの^宇宙当局は、^{地球上の生命と財産への危険を最小限に抑えるために、}制御された再突入を推進しています。^[要出典]

• スプートニク1号は軌道上の宇宙飛行を達成した最初の人工物である。1957年10月4日にソビエト連邦によって打ち上げられた。
• 1961年4月12日にソビエト連邦によってユーリイ・ガガーリンを乗せて打ち上げられたボストーク1号は、地球の軌道に到達することに成功した最初の有人宇宙飛行であった。
• 1963年6月16日、ソビエト連邦によってワレンチナ・テレシコワを乗せて打ち上げられたボストーク6号は、女性として初めて地球周回軌道に到達することに成功した宇宙飛行となった。
• 2020年5月30日にスペースXと米国によって打ち上げられたクルードラゴン・デモ2号は、民間企業による地球軌道への到達に成功した初の有人宇宙飛行となった。

• 宇宙飛行のレベル:弾道飛行、軌道飛行、惑星間飛行、星間飛行、銀河間飛行
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