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打ち上げロケットとは、通常、地球の表面または下層大気から宇宙空間へペイロード（有人宇宙船または衛星）を運ぶように設計されたロケット推進式の乗り物です。最も一般的な形態は弾道ミサイル型の多段式ロケットですが、この用語はより一般的で、スペースシャトルなどの乗り物も含まれます。ほとんどの打ち上げロケットは、発射管制センターや、機体の組み立てや燃料補給などのシステムによってサポートされる発射台から運用されます。 [ 1 ]打ち上げロケットは高度な空力設計と技術で設計されており、それが運用コストの高さにつながっています。
軌道打ち上げロケットは、ペイロードを少なくとも宇宙の境界、約150 km (93マイル)まで持ち上げ、少なくとも水平速度7,814 m/s (17,480 mph)まで加速する必要があります。[ 2 ]準軌道ロケットは、ペイロードをより低い速度で打ち上げるか、水平よりも大きな仰角で打ち上げられます。
実用的な軌道打ち上げロケットは、固体燃料、液体水素、灯油、液体酸素、または自己着火性推進剤などの化学推進剤を使用する。
打ち上げロケットは、軌道ペイロード容量によって、小型、中型、大型、超大型に分類されます。
宇宙開発競争の終結後、宇宙飛行は国際協力の強化、低軌道へのアクセスコストの低下、そして商業事業の拡大によって特徴づけられてきた。惑星探査機は太陽系のすべての惑星を訪れ、人類はミールや国際宇宙ステーション（ISS）などの宇宙ステーションで長期間軌道上に滞在してきた。ごく最近では、中国が独立した有人ミッションを打ち上げる能力を持つ3番目の国として台頭し、商業部門の事業者は再利用可能なブースターシステムや空中プラットフォームから打ち上げられる宇宙船を開発してきた。2020年には、SpaceXがクルードラゴン・デモ2で国際宇宙ステーションへの有人ミッションを成功させた最初の商業事業者となった。
打ち上げロケットは、NASAによって低地球軌道ペイロード能力に応じて分類されています。 [ 3 ]
観測ロケットは小型打ち上げロケットに似ていますが、通常はさらに小型で、ペイロードを軌道に乗せることはありません。2018年には、改良型SS-520観測ロケットを使用して4キログラムのペイロード（TRICOM-1R）を軌道に乗せました。 [ 7 ]
軌道宇宙飛行では、衛星や宇宙船のペイロードを高速まで加速させる必要がある。宇宙空間の真空状態では、質量を放出することで反作用力を発生させなければならず、その結果としてロケット方程式が成り立つ。宇宙飛行の物理法則上、目的の軌道に到達するには通常、ロケットの複数段が必要となる。
使い捨てロケットは、一度だけ使用するように設計されており、ブースターは通常、ペイロードから分離して大気圏再突入時または地面との接触時に分解します。対照的に、再利用可能なロケットは、無傷で回収され、再び打ち上げられるように設計されています。SpaceXのファルコン9は、再利用可能なロケットの一例です。[ 8 ] 2023年現在、運用されたすべての再利用可能なロケットは部分的に再利用可能であり、つまり、一部のコンポーネントは回収され、他のコンポーネントは回収されません。これは通常、特定のステージ、通常は第1ステージの回収を意味しますが、ロケットステージの特定のコンポーネントが回収され、他のコンポーネントが回収されない場合もあります。例えば、スペースシャトルは、固体ロケットブースター、第2段としても機能したスペースシャトルオービター、コアステージで使用されたエンジン（オービターの後部に位置するRS-25）を回収して再利用したが、エンジンとは別個の燃料供給源である燃料タンクは再利用されなかった。
例えば、欧州宇宙機関はアリアンVロケットを担当しており、ユナイテッド・ローンチ・アライアンスはデルタIVロケットとアトラスVロケットの製造と打ち上げを担当している。
発射台は、陸上（宇宙港）、固定式海洋プラットフォーム（サンマルコ）、移動式海洋プラットフォーム（シーローンチ）、潜水艦などに設置できる。ロケットは空中から発射することも可能だ。
ロケットは、ペイロードを搭載した状態で地球表面上のどこかから打ち上げられます。軌道に到達するには、大気圏を脱出するために垂直方向に、そして地上への再接触を防ぐために水平方向に移動する必要があります。必要な速度は軌道によって異なりますが、日常生活で遭遇する速度と比べると常に極めて高速です。
打ち上げロケットは、性能にばらつきがあります。例えば、静止軌道を目指す衛星は、ロケットの上段によって直接投入されるか、静止遷移軌道（GTO）に投入されます。直接投入はロケットに大きな負荷をかけますが、GTOは衛星本体に大きな負荷をかけます。軌道に乗った後は、ロケットの上段と衛星の能力は重複することがありますが、上段の軌道寿命は数時間から数日程度であるのに対し、衛星は数十年も運用できる場合があります。
分散打ち上げとは、複数の宇宙船を打ち上げて目標を達成することです。国際宇宙ステーションのような大型宇宙船は、軌道上でモジュールを組み立てたり、宇宙空間で推進剤を移送したりすることで構築でき、地球周回軌道や深宇宙探査機のデルタV能力を大幅に向上させることができます。分散打ち上げは、単一打ち上げ方式では不可能な宇宙ミッションを可能にします。[ 9 ]
分散打ち上げのミッションアーキテクチャは2000年代に検討され[ 10 ]、分散打ち上げ機能を内蔵した打ち上げロケットは2017年にSpaceXのスターシップ設計で開発が始まった。スターシップの標準的な打ち上げアーキテクチャは、低軌道で宇宙船に燃料を補給し、より高エネルギーのミッションで高質量のペイロードを送れるようにすることである[ 11 ] 。
1980年以降、2010年代以前に、2機の軌道打ち上げ機が打ち上げ地点への帰還能力を開発した。米国のスペースシャトル（その緊急脱出モードの1つ[ 12 ] [ 13 ]）とソ連のブラン[ 14 ]は、打ち上げ機のスペースプレーン部分を水平着陸させる機構によって、打ち上げ機の一部を打ち上げ地点に帰還させる設計上の能力を備えていた。どちらの場合も、それまでに飛行したすべての軌道打ち上げ機の標準手順と同様に、機体の主要な推力構造と大型の推進剤タンクは使い捨てだった。どちらもその後、実際の軌道定常飛行で実証されたが、どちらも打ち上げ中に緊急脱出モードを備えており、定常外の打ち上げ後に乗員がスペースプレーンを着陸させることが可能だったと考えられる。[ 15 ]
2000年代には、SpaceXとBlue Originの両社が、ロケットのブースター段の垂直着陸を支援する一連の技術を独自に開発しました。2010年以降、SpaceXは、ファルコン9軌道打ち上げロケットの一部である第1段を回収して垂直着陸させる能力を獲得するための開発プログラムに着手しました。最初の着陸成功は2015年12月に行われました。[ 16 ] 2017年以降、ロケットの各段は、打ち上げ場所に隣接する着陸パッド、または打ち上げ場所からある程度離れた海上の着陸プラットフォームに定期的に着陸しています。 [ 17 ] SpaceXのファルコンヘビーも同様に、第1段を構成する3つのコアを再利用するように設計されています。 2018年2月の初飛行では、2つの外側のコアは打ち上げ場所の着陸パッドに戻りましたが、中央のコアは海上の着陸プラットフォームを目指しましたが、着陸に成功しませんでした。[ 18 ]
ブルーオリジンは、準軌道飛行機ニューシェパードの帰還と着陸のための同様の技術を開発し、2015年に帰還を成功させ、2016年1月に同じブースターを2回目の準軌道飛行で再利用することに成功した。 [ 19 ] 2016年10月までに、ブルーオリジンは同じ打ち上げロケットを合計5回再飛行させ、着陸に成功した。[ 20 ]両機の打ち上げ軌道は大きく異なり、ニューシェパードは真上に上昇して真下に下降するのに対し、ファルコン9は相当な水平速度を相殺し、かなりの距離から帰還する。[ 21 ]
ブルーオリジンとスペースXは、再利用可能な打ち上げロケットも開発中です。ブルーオリジンは、軌道ニューグレンLVの第1段を再利用可能に開発しており、初飛行は2024年以降を予定しています。スペースXは、惑星間空間へのミッション向けに新しい超大型打ち上げロケットを開発中です。スペースXスターシップは、スターシップで使用するために設計されたブースターステージと統合された第2段/大型宇宙船の両方の発射場への帰還、垂直着陸、完全な再利用をサポートするように設計されています。[ 22 ] 2023年4月に最初の打ち上げが試みられましたが、上昇中に両方のステージが失われました。[ 23 ] 5回目の打ち上げは、ブースター12が（帰還時に）発射塔に捕捉され、上段であるシップ30がインド洋に無事着陸して終了しました。[ 24 ]
小型：ペイロード0～2t、中型：ペイロード2～20t、大型：ペイロード20～50t、超大型：ペイロード50t超
。5.2.1 大型打ち上げの必要性…「超大型」打ち上げロケットが必要…25～40トンの範囲で、燃料補給が可能な場合の超大型打ち上げロケットのサイズの想定下限を設定…これは、約50トンの最小大型打ち上げ能力を強く支持する…