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軌道宇宙飛行（または軌道飛行）とは、宇宙船が少なくとも1周回宇宙空間に留まることができる軌道に乗せられる宇宙飛行のことです。地球を周回するには、近地点高度（地球に最も接近する高度）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りません。これは、 NASA、米国空軍、FAAによって定義された宇宙の境界です。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す。軌道速度は高軌道ほど遅くなりますが、高軌道に到達するにはより大きなデルタVが必要です。国際航空連盟は、航空と宇宙の境界の作業定義として、高度100 km（62マイル）にカルマン線を設定しました。これは、テオドール・フォン・カルマンが計算したように、高度約100 km (62 mi)では、乗り物が大気から十分な空力揚力を得て自身を支えるためには、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 ]
大気抵抗のため、円軌道上の物体が推進力なしで少なくとも1回転を完了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、宇宙船の遠地点が宇宙空間に達するものの近地点が低すぎる準軌道宇宙飛行と区別するために主に使われる。 [ 3 ]
地球の周回軌道には、主に3つの「帯」があります。低地球軌道（LEO）、中地球軌道（MEO）、そして静止軌道（GEO）です。
軌道力学によれば、軌道は地球の周囲にある特定の、ほぼ固定された平面上にあり、その平面は地球の中心と一致し、赤道に対して傾いている場合がある。宇宙船の相対運動と、地球が自転する際の地球表面の動きによって、地上から見た宇宙船の位置と、宇宙船から見える地球のどの部分かが決まる。
宇宙船が地球上のどの部分の真上にあるかを示す地上軌跡を計算することが可能です。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。この数値は主に軌道速度に達するために必要な水平方向の加速度 (約 7.8 km/s) ですが、大気抵抗( 20 m (66 ft)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、打ち上げ機の詳細によって異なる)、および高度上昇も考慮されています。
主な実証済みの技術は、重力ターンを行いながら数キロメートルにわたってほぼ垂直に打ち上げ、その後、高度170km以上で軌道を徐々に水平にし、軌道速度に達するまで5～8分間の燃焼で水平軌道（重力に逆らって高度を維持するためにロケットを上向きに傾ける）で加速するというものです。現在、必要なデルタVを達成するには2～4段のロケットが必要です。ほとんどの打ち上げは使い捨ての打ち上げシステムで行われています。
小型衛星用のペガサスロケットは、高度39,000フィート（12km ）の航空機から打ち上げられる。
軌道宇宙飛行を実現するための方法は数多く提案されており、ロケットよりもはるかに低コストで実現できる可能性を秘めている。宇宙エレベーターや回転式回転翼機といったアイデアの中には、現在知られているどの材料よりもはるかに強度のある新素材を必要とするものもある。その他にも、発射ループなどの地上加速器、リアクション・エンジンズ・スカイロンのようなロケット補助型航空機／宇宙飛行機、スクラムジェット推進宇宙飛行機、RBCC推進宇宙飛行機などが提案されている。貨物輸送には砲撃方式も提案されている。
2015年以降、SpaceXは軌道宇宙飛行のコスト削減に向けた段階的なアプローチで大きな進歩を遂げてきた。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段とドラゴンカプセルによる推進着陸の先駆的な取り組みによるものだが、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、スーパードラコ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プリンティングの使用も含まれる。これらの改良の初期段階では、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る。[ 4 ]
高度がおよそ 200 km 未満の軌道にある物体は、大気抵抗 のため不安定であると考えられています。衛星が安定した軌道（つまり、数か月以上持続可能な軌道）にあるためには、350 km が低地球軌道のより標準的な高度です。たとえば、1958 年 2 月 1 日にエクスプローラー 1 号衛星は近地点が358 キロメートル (222マイル)の軌道に打ち上げられました。[ 5 ] 1970 年 3 月 31 日に太平洋上空で大気圏に再突入するまで、12 年以上軌道上にとどまりました。
しかし、軌道上の物体の正確な挙動は、高度、弾道係数、そして上層大気の高さに影響を与える可能性のある宇宙天気の詳細によって左右される。
宇宙飛行において、軌道変更とは、推進システムを用いて宇宙船の軌道を変更することである。地球から遠く離れた宇宙船、例えば太陽の周回軌道にある宇宙船の場合、軌道変更は深宇宙軌道変更（DSM）と呼ばれる。
帰還する宇宙船（有人宇宙船を含む）は、大気圏上層にいる間にできるだけ減速し、地面に衝突したり燃え尽きたりしないようにする方法を見つけなければなりません。多くの軌道宇宙飛行では、ロケットエンジンの逆噴射によって初期減速が行われ、軌道が乱され（近地点が大気圏に下がることで）、準軌道軌道に乗せられます。低地球軌道にある多くの宇宙船（例えば、ナノ衛星や、軌道維持燃料が尽きた、あるいはその他の理由で機能しなくなった宇宙船）は、大気抵抗（エアロブレーキ）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ます。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の大気抵抗効果によって残りの速度、ひいては運動エネルギーの大部分を失います。
意図的な空力ブレーキは、帰還する宇宙船の姿勢を調整し、熱シールドを大気に向けて前方に向けることで実現される。これは、極超音速で大気圏を通過する際に発生する大気圧縮と摩擦によって生じる高温から宇宙船を保護するためである。熱エネルギーは主に、鈍角の熱シールド形状を用いて機体前方の衝撃波で空気を圧縮加熱することによって放散され、機体内部への熱流入を最小限に抑えることを目的としている。
準軌道宇宙飛行は速度がはるかに低いため、大気圏再突入時に発生する熱量はそれほど多くない。
たとえ軌道上の物体が使い捨て可能だとしても、ほとんどの宇宙当局は、地球上の生命や財産への危険を最小限に抑えるため、制御された再突入を推進している。
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