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宇宙飛行（宇宙飛行とも表記）は、宇宙航行学の応用で、通常は宇宙船などの物体を、人間が搭乗しているか否かにかかわらず、宇宙空間へ、または宇宙空間を通過するように飛行させることです。宇宙飛行のほとんどは無人で、主に地球周回軌道上の衛星などの宇宙船で行われますが、地球軌道外への飛行のための宇宙探査機も含まれます。このような宇宙飛行は、遠隔操作ロボットまたは自律制御によって行われます。最初の宇宙飛行は、1950年代にソ連のスプートニク衛星とアメリカのエクスプローラーおよびヴァンガードミッションの打ち上げで始まりました。有人宇宙飛行計画には、ソユーズ、神舟、過去のアポロ月面着陸、スペースシャトル計画などがあります。その他の現在の宇宙飛行は、国際宇宙ステーションと中国の天宮宇宙ステーションで行われています。
宇宙飛行には、地球観測衛星や通信衛星の打ち上げ、惑星間探査ミッション、宇宙ステーションとのランデブーおよびドッキング、科学調査や観光を目的とした有人宇宙飛行などが含まれる。
宇宙飛行は、従来は多段式ロケットによって実現されてきました。多段式ロケットは、重力に打ち勝つための推力を発生させ、宇宙船を準軌道軌道へと推進します。軌道飛行を目的とする場合、宇宙船は通常、第1段を分離し、第2段に点火します。第2段は宇宙船を軌道に到達するのに十分な速度まで加速させます。軌道に乗ると、宇宙船は地球の周囲を高速で周回するため、地表に落下することはありません。
ほとんどの宇宙船、そしてすべての有人宇宙船は、自力で軌道離脱するように設計されているか、高エネルギー軌道にある無人宇宙船の場合は、自力で墓場軌道に投入されるように設計されている。しかし、使用済みの上段ロケットや故障した宇宙船は、自力で軌道離脱する能力を欠いていることが多い。これは、頻繁に使用される軌道に制御不能な宇宙船が多数存在する場合に大きな問題となり、機能している衛星とデブリが衝突するリスクを高める。この問題は、大型の物体、多くの場合上段ロケットが軌道上で分解したり、他の物体と衝突したりして、数百個もの小さく見つけにくいデブリの破片が生じる場合にさらに悪化する。このような衝突が連続的に発生する問題は、ケスラー症候群として知られている。
宇宙空間への飛行、あるいは宇宙空間を通過する飛行を指す用語はいくつか存在する。
宇宙ミッションとは、特定の目的を達成するために行われる宇宙飛行のことである。宇宙ミッションの目的には、宇宙探査、宇宙研究、そして宇宙飛行における国家初の偉業などが含まれる。
宇宙輸送とは、宇宙船を用いて人や貨物を宇宙空間へ、あるいは宇宙空間を経由して輸送することである。これには、有人宇宙飛行と貨物宇宙船の飛行が含まれる。
ロケットを用いた宇宙旅行の最初の理論的提案は、スコットランドの天文学者で数学者のウィリアム・レイチが1861年のエッセイ「宇宙旅行」で発表した。[ 1 ]より有名なのは、コンスタンチン・ツィオルコフスキーの1903年の著作「反作用装置による宇宙探査」である。ツィオルコフスキーはこの著作の中で、ロケットの基本方程式を記述している。
どこ：
ツィオルコフスキーロケット方程式として知られるこの方程式は、総エネルギーを求めるために使用できます。または速度の潜在的な変化。この公式は、現在でも技術者によって使用されており、宇宙飛行の重要な概念である。
宇宙飛行が現実的な可能性となったのは、ロバート・H・ゴダードが1919年に論文「極限高度に到達する方法」を発表したことによる。彼が液体燃料ロケットにド・ラバルノズルを応用したことで効率が向上し、惑星間旅行が可能になった。その後、ゴダードは研究を続け、第一次世界大戦中にロケット推進兵器の開発で陸軍との契約を獲得しようと試みたが、 1918年11月11日のドイツとの休戦協定によって計画は頓挫した。民間の資金援助を受けて研究を進めることを選択した彼は、1926年3月16日に液体燃料ロケットの打ち上げに初めて成功した。
第二次世界大戦中、最初の誘導ロケットであるV-2がナチス・ドイツによって開発され、兵器として使用されました。1944年6月の試験飛行で、このロケットの1つが高度189キロメートル（102海里）で宇宙に到達し、人類が作った物体として初めて宇宙に到達しました。[ 2 ]第二次世界大戦の終結後、V-2ロケット開発チームのほとんど（責任者のヴェルナー・フォン・ブラウンを含む）は米国に降伏し、後に陸軍弾道ミサイル局となる機関でアメリカのミサイル開発に従事し、ジュノーIやアトラスなどのミサイルを製造しました。一方、ソビエト連邦はV-2の製造施設をいくつか占領し、いくつかのレプリカを製造し、11発のロケットのうち5発が目標に到達することに成功しました。（これはナチス・ドイツの成功率とほぼ一致していました。）
ソビエト連邦は1950年代、アメリカの爆撃機に対抗する手段として、核兵器を搭載できる大陸間弾道ミサイルを開発した。ツィオルコフスキーの影響を受けたセルゲイ・コロリョフが主任ロケット設計者となり、彼の開発したR-7セミョールカミサイルの派生型が、 1957年10月4日に世界初の人工地球衛星スプートニク1号の打ち上げに使用された。
スプートニクの打ち上げとヴァンガードロケットの2回の恥ずべき失敗の後、米国は1958年2月1日にエクスプローラー1号を打ち上げた。3年後、ソ連は宇宙飛行士ユーリ・ガガーリンを乗せたボストーク1号を軌道に乗せた。米国は1961年5月5日にアラン・シェパードの弾道飛行、1962年2月20日にジョン・グレンの軌道飛行で対抗した。これらの出来事に続いて、ジョン・F・ケネディ米大統領が月に行くことを誓い、ジェミニ計画とアポロ計画が創設された。ランデブーとドッキング、船外活動に成功した後、ジェミニ計画はアポロ1号の悲劇の直前に終了した。サターン1BとサターンVの無人試験飛行を複数回行った後、米国は有人アポロ7号ミッションを低地球軌道に打ち上げた。その成功後まもなく、米国はアポロ8号（月周回軌道への初飛行）、アポロ9号（司令船と月着陸船の両方を搭載した初のアポロ計画）、そしてアポロ10号（月面着陸寸前までいった初の計画）を打ち上げた。これらの出来事は、初の有人月面着陸であるアポロ11号、そしてそれに続く6回のミッション（うち5回は月面着陸に成功）で最高潮に達した。
宇宙飛行は、様々な目的のために地球周回軌道に人工衛星を投入する手段として、数多くの政府機関や民間企業によって広く利用されてきた。また、一部の政府機関は、月以遠の宇宙を探査する無人宇宙船を送り込み、サリュート計画から国際宇宙ステーションに至るまで、一連の宇宙ステーションを通じて、有人宇宙滞在を継続的に実現してきた。
ロケットは現在、軌道上またはそれより遠くまで到達できる唯一の手段です。ロケット以外の宇宙打ち上げ技術はまだ開発されていないか、軌道速度に達していません。宇宙飛行のためのロケット打ち上げは通常、宇宙港（コスモドローム）から行われます。宇宙港には、垂直ロケット打ち上げ用の発射台や発射複合施設、母機や有翼宇宙船の離着陸用滑走路などが備えられている場合があります。宇宙港は、騒音や安全上の理由から、人間の居住地から十分に離れた場所に位置しています。ICBMには、さまざまな専用発射施設があります。
ロケットの打ち上げは、多くの場合、特定の打ち上げ期間に限定されます。これらの期間は、打ち上げ地点に対する天体の位置や軌道によって決まります。最も大きな影響を与えるのは、地球の自転です。打ち上げられた軌道は通常、地球の自転軸に対して一定の角度を持つ比較的安定した平面上に位置し、地球はこの軌道上で自転します。
発射台は、航空機を発射するために設計された固定構造物です。一般的に、発射塔と火炎溝で構成されています。周囲には、発射機の組み立て、燃料補給、およびメンテナンスに使用される機器が設置されています。発射前のロケットの重量は数百トンにもなります。スペースシャトル・コロンビア号は、STS-1ミッションで、離陸時に2030トン（4,480,000ポンド）の重量がありました。
宇宙空間の最も一般的な定義は、地球表面から100キロメートル（62マイル）上空のカーマン線より外側の領域である。（米国では、高度50マイル（80キロメートル）を超える領域を宇宙空間と定義している。）
ロケットエンジンは、現在宇宙へ到達するための唯一実用的な手段であり、飛行機や高高度気球は、大気の欠如により実現不可能であり、宇宙エレベーターなどの代替手段はまだ建設されていない。化学推進、すなわちガスを高速で加速させる方法は、大気が薄くなっても推力を維持できるという点で、主に効果的である。
ロケットエンジン以外の方法で宇宙へ到達する方法が数多く提案されている。宇宙エレベーターや、回転翼機やスカイフックのような運動量交換テザーといったアイデアには、現在知られているどの材料よりもはるかに強力な新素材が必要となる。発射ループのような電磁式発射装置は、現在の技術で実現可能かもしれない。その他のアイデアとしては、リアクション・エンジンズ・スカイロン（現在開発初期段階）、スクラムジェット推進宇宙機、RBCC推進宇宙機といったロケット補助型航空機／宇宙飛行機などが挙げられる。貨物輸送には砲撃方式も提案されている。
低地球軌道を超えるミッションでは、宇宙船はパーキング軌道、つまりより低い中間軌道に投入されます。パーキング軌道方式は、アポロ計画の計画をいくつかの重要な点で大幅に簡素化しました。これは「時間的バッファ」として機能し、打ち上げ可能期間を大幅に拡大しました。パーキング軌道により、乗組員と管制官は、打ち上げのストレスを受けた後、宇宙船を月への長い旅に出発させる前に、徹底的に点検する時間を得ることができました。[ 3 ]
ロボットミッションでは、緊急脱出機能は必要なく、放射線の最小化は繊細な電子機器にのみ必要となる。また、現代のロケットは「瞬時」の打ち上げウィンドウに常に対応できるため、月や他の惑星への宇宙探査機は、極低温推進剤の蒸発を抑えることで性能を最大化するために、一般的に直接噴射方式を採用している。打ち上げシーケンス中に一時的に慣性飛行を行うものもあるが、地球脱出軌道に投入される噴射の前に、1周以上の完全な待機軌道を完了することはない。
天体からの脱出速度は、天体からの距離が大きくなるにつれて減少します。しかし、宇宙船にとっては、燃料をできるだけ近点（最低点）に近い場所で燃焼させる方が燃料効率が良いです。オーベルト効果を参照してください。[ 5 ]
宇宙力学とは、宇宙船の軌道、特に重力と推進力の影響に関する学問である。宇宙力学を用いることで、宇宙船は過剰な推進剤を消費することなく、適切な時間に目的地に到着することができる。軌道を維持または変更するためには、軌道制御システムが必要となる場合がある。
ロケットを用いない軌道推進方法には、ソーラーセイル、磁気セイル、プラズマバブル磁気システム、重力スイングバイ効果の利用などがある。
「伝達エネルギー」という用語は、ロケットの段がペイロードに与えるエネルギーの総量を意味します。これは、打ち上げロケットの第1段が上段とペイロードに与えるエネルギー、または上段や宇宙船のキックモーターが宇宙船に与えるエネルギーです。[ 6 ] [ 7 ]
宇宙ステーションに到達するためには、宇宙船は同じ軌道に到達し、非常に近い距離（例えば、目視できる距離）まで接近する必要があります。これは、宇宙ランデブーと呼ばれる一連の軌道操作によって行われます。
宇宙ステーションとのランデブー後、宇宙船はステーションにドッキングまたはバースします。ドッキングとは、2つの独立した自由飛行する宇宙船を結合することを指し、[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]一方、バースとは、ロボットアームを使用して、非アクティブな宇宙船を別の宇宙船の結合インターフェースに配置する結合操作を指します。[ 8 ] [ 10 ] [ 11 ]
軌道上の宇宙船は大量の運動エネルギーを持っています。宇宙船が大気圏に突入して蒸発することなく安全に着陸するためには、このエネルギーを放出する必要があります。通常、このプロセスには空力加熱を防ぐための特別な方法が必要です。再突入の理論はハリー・ジュリアン・アレンによって開発されました。この理論に基づき、再突入機は大気圏に鈍角な形状で突入します。鈍角な形状とは、運動エネルギーの1%未満しか熱として宇宙船に到達せず、残りは大気を加熱することを意味します。
マーキュリー、ジェミニ、アポロのカプセルは海に着水しました。これらのカプセルは、パラシュートの助けを借りて比較的低速で着陸するように設計されていました。ソ連/ロシアのソユーズ用カプセルは、大きなパラシュートと減速ロケットを使用して地上に着陸します。スペースシャトルなどの宇宙飛行機は、グライダーのように着陸します。
着陸が成功すれば、宇宙船、搭乗者、そして積荷を回収することができる。場合によっては、着陸前に回収が行われることもある。宇宙船がパラシュートで降下している最中に、特別に設計された航空機で捕捉するのだ。この空中回収技術は、コロナ偵察衛星からフィルム容器を回収する際に用いられた。
無人宇宙船またはロボット宇宙船とは、人が搭乗していない宇宙船のことです。無人宇宙船は、遠隔操作や遠隔誘導など、人間の介入に対する自律性のレベルが異なる場合があります。また、事前にプログラムされた一連の操作を、特に指示がない限り実行する自律型宇宙船もあります。科学観測用のロボット宇宙船は、宇宙探査機または宇宙観測所と呼ばれることがよくあります。
コストとリスク要因が低いため、多くの宇宙ミッションは有人運用よりも遠隔操作ロボットによる運用に適しています。さらに、現在の技術では、金星や木星近傍などの惑星は人間の生存には過酷すぎます。土星、天王星、海王星などの外惑星は、現在の有人宇宙飛行技術では到達するには遠すぎるため、遠隔操作ロボットによる探査が唯一の方法です。遠隔操作ロボットは、宇宙船を滅菌できるため、地球の微生物による汚染を受けやすい領域を探査することも可能にします。人間は多数の微生物と共存しているため、宇宙船と同じように滅菌することはできません。また、これらの微生物を宇宙船や宇宙服内に封じ込めることも困難です。
初の無人宇宙ミッションは、1957年10月4日に地球周回軌道に打ち上げられたスプートニクでした。ほぼすべての人工衛星、着陸機、探査車はロボット宇宙船です。すべての無人宇宙船がロボット宇宙船というわけではありません。例えば、反射球はロボットではない無人宇宙船です。人間以外の動物が搭乗する宇宙ミッションは、無人ミッションと呼ばれます。
多くの居住可能な宇宙船には、様々なレベルのロボット機能が搭載されている。例えば、宇宙ステーションのサリュート7号とミール、そして国際宇宙ステーションのモジュールであるザーリャは、補給船や新しいモジュールとの遠隔誘導による位置保持やドッキング操作が可能だった。無人補給船は、有人宇宙ステーションでの利用がますます増えている。
人類初の宇宙飛行は、1961年4月12日のボストーク1号で、ソ連の宇宙飛行士ユーリ・ガガーリンが地球を1周した。ソ連の公式文書には、ガガーリンが最後の7マイルをパラシュートで降下したという事実は記載されていない。[ 12 ] 2020年現在、有人宇宙飛行に定期的に使用されている宇宙船は、ソユーズ、神舟、クルードラゴンのみである。米国のスペースシャトル艦隊は1981年4月から2011年7月まで運用された。スペースシップワンは3回の有人準軌道宇宙飛行を実施した。
準軌道宇宙飛行では、宇宙船は宇宙空間に到達した後、（主に）弾道軌道をたどって大気圏に再突入します。これは通常、軌道エネルギーが不足しているためで、その場合、準軌道飛行はわずか数分しか続きませんが、軌道に必要なエネルギーを持つ物体が地球の大気圏と交差する軌道をたどることもあり、その場合、何時間もかかることがあります。パイオニア1号は、 NASAが月に到達することを目的とした最初の宇宙探査機でした。部分的な故障により、代わりに準軌道軌道をたどり、高度113,854キロメートル（70,746マイル）に達した後、打ち上げから43時間後に地球の大気圏に再突入しました。
宇宙の境界として最も一般的に認識されているのは、海抜100 km (62マイル)のカーマン線です。 (NASA は、宇宙飛行士を海抜80 km (50マイル)を超える飛行経験のある人と定義しています。) 一般には認識されていませんが、カーマン線を越えるために必要な位置エネルギーの増加は、地球の最低軌道 (カーマン線のすぐ上の円軌道) に必要な軌道エネルギー (位置エネルギーと運動エネルギーの合計) のわずか 3% 程度です。言い換えれば、宇宙に到達することは、そこに留まることよりもはるかに簡単です。 2004 年 5 月 17 日、民間宇宙探査チームはGoFast ロケットを弾道飛行に打ち上げ、これが最初のアマチュア宇宙飛行となりました。 2004 年 6 月 21 日、SpaceShipOne が、民間資金による初の有人宇宙飛行に使用されました。
ポイントツーポイント、つまり地球間輸送は、宇宙船が2つの地上地点間を迅速に輸送する準軌道宇宙飛行のカテゴリーです。 [ 13 ]通常20時間以上かかるロンドンとシドニー間の従来の航空路線は、 1時間未満で移動できます。[ 14 ]現在、この種の輸送を提供している企業はありませんが、SpaceXはStarshipを使用して2020年代にこれを行う計画を明らかにしました。大陸間距離の準軌道宇宙飛行には、低地球軌道に到達するのに必要な速度よりわずかに低い速度で機体が必要です。[ 15 ]ロケットを使用する場合、ペイロードに対するロケットのサイズは大陸間弾道ミサイル（ICBM）に似ています。大陸間宇宙飛行では、軌道宇宙飛行が直面する問題とほぼ同じくらい大きな、大気圏再突入時の加熱の問題を克服する必要があります。
最小軌道宇宙飛行は、最小準軌道飛行よりもはるかに高い速度を必要とするため、技術的に実現がはるかに困難です。軌道宇宙飛行を実現するには、高度と同様に地球周回時の接線速度が重要です。宇宙空間で安定した持続的な飛行を行うには、宇宙船は閉軌道に必要な最小軌道速度に到達しなければなりません。
惑星間宇宙飛行とは、単一の惑星系内の惑星間を飛行することである。実際には、この用語は太陽系の惑星間移動に限定して用いられることが多い。将来の有人惑星間宇宙飛行計画では、NASAのコンステレーション計画やロシアのクリッパー／パロム・タンデム計画のように、地球軌道上での最終的な機体組み立てが含まれることが多い。
ニューホライズンズは、太陽系を離れる脱出軌道に乗せられた5番目の宇宙船です。ボイジャー1号、ボイジャー2号、パイオニア10号、パイオニア11号はそれ以前のものです。太陽から最も遠いのはボイジャー1号で、 100AU以上離れており、年間3.6AUの速度で移動しています。 [ 16 ]比較すると、太陽以外の最も近い恒星であるプロキシマ・ケンタウリは267,000AU離れています。ボイジャー1号がこの距離に到達するには74,000年以上かかります。核パルス推進などの他の技術を使用した宇宙船の設計では、最も近い恒星にかなり速く到達できる可能性があります。人類の恒星間宇宙飛行を可能にするもう1つの可能性は、時間の遅れを利用することです。これは、高速で移動する乗り物の乗客が、その高速によって機内の時間の経過が遅くなるため、ほとんど老化することなく未来へ移動することを可能にするからです。しかし、そのような高速を達成するには、何らかの新しい高度な推進方法を使用する必要があります。恒星間空間を移動する方法として、ダイナミックソアリングも提案されています。 [ 17 ] [ 18 ]
銀河間旅行は銀河間の宇宙飛行を伴うものであり、恒星間旅行よりも技術的に非常に困難であると考えられており、現在の工学用語ではSFとみなされている。しかし、理論的には、銀河間旅行が不可能であることを決定的に示すものは何もない。今日までに、数名の学者が銀河間旅行を真剣に研究してきた。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]
宇宙船とは、宇宙空間で運用するために設計された乗り物である。
最初の「真の宇宙船」はアポロ月着陸船だと言われることがある[ 22 ]。これは宇宙空間でのみ設計され、運用された唯一の有人宇宙船であり、非空力的な形状が特徴である。
今日の宇宙船は推進力として主にロケットを使用しているが、イオン推進などの他の推進技術も、特に無人宇宙船において普及しつつあり、これにより宇宙船の質量を大幅に削減し、デルタVを増加させることができる。
打ち上げシステムは、地球の表面から宇宙空間へペイロードを運ぶために使用される。
現在の宇宙飛行のほとんどは、宇宙に到達するために多段式使い捨てロケットシステムを使用している。
最初の再利用可能な宇宙船であるX-15は、1963年7月19日に準軌道軌道で空中発射されました。最初の部分的に再利用可能な軌道宇宙船であるスペースシャトルは、ユーリ・ガガーリンの飛行20周年にあたる1981年4月12日に米国によって打ち上げられました。シャトル時代には6機のオービターが製造され、そのすべてが大気圏内を飛行し、5機が宇宙空間を飛行しました。エンタープライズは、ボーイング747の後部から打ち上げられ、カリフォルニア州エドワーズ空軍基地でデッドスティック着陸するために滑空する、接近および着陸テストにのみ使用されました。宇宙へ飛行した最初のスペースシャトルはコロンビアで、続いてチャレンジャー、ディスカバリー、アトランティス、エンデバーが続きました。エンデバーは、1986年1月に失われたチャレンジャーの後継として製造されました。コロンビアは2003年2月に再突入中に分解しました。
初の自動部分再利用型宇宙船は、1988年11月15日にソ連が打ち上げたブラン（吹雪）であったが、飛行は1回のみにとどまった。この宇宙往還機は有人型で、アメリカのスペースシャトルに酷似していたが、ドロップオフブースターには液体燃料が使用され、メインエンジンはアメリカのスペースシャトルでいう外部燃料タンクの基部に配置されていた。資金不足に加え、ソ連崩壊の影響もあり、ブランのその後の飛行は実現しなかった。
スペースシャトルは、主に老朽化のため2011年に退役しました。シャトルの有人輸送の役割は、 2020年代にスペースX社のドラゴン2とCST-100に引き継がれる予定です。シャトルの重量貨物輸送の役割は、現在では民間の打ち上げロケットが担っています。
スケールド・コンポジッツ社のスペースシップワンは、再利用可能な準軌道宇宙飛行機で、2004年にマイク・メルビルとブライアン・ビニーの両パイロットを乗せて連続飛行を行い、アンサリXプライズを獲得した。スペースシップ・カンパニーは、その後継機であるスペースシップツーを建造した。ヴァージン・ギャラクティック社が運用するスペースシップツーの機体は、2008年に有料乗客（宇宙旅行者）を乗せた再利用可能な民間宇宙飛行を開始する予定だったが、推進システムの開発中の事故により延期された。[ 23 ]
SpaceXは、2015年12月21日に、 Orbcomm OG-2商用衛星11基を低地球軌道に投入した後、再利用可能な軌道ロケット段の初の垂直軟着陸に成功した。[ 24 ]
ファルコン9の最初の再飛行は2017年3月30日に行われた。[ 25 ] SpaceXは現在、第1段とフェアリングを定期的に回収して再利用している。[ 26 ] SpaceXは現在、宇宙探査のコストを大幅に削減することを目標に、スターシップとして知られる完全再利用可能な超大型ロケットを開発している。 [ 27 ] 2025年4月現在、スターシップの第1段であるスーパーヘビーブースター3基が回収されている。[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]
すべてのロケットには、その一部が軌道に到達するために必要な膨大なエネルギーが含まれています。そのため、このエネルギーが時期尚早かつ突然放出され、重大な影響を及ぼすリスクがあります。 1997年1月17日にデルタIIロケットが打ち上げから13秒後に爆発した際、 10マイル（16km ）離れた店の窓ガラスが爆発で割れたという報告がありました。 [ 31 ]
宇宙空間は比較的予測可能な環境だが、それでも偶発的な減圧や機器の故障といったリスクは存在し、中にはごく最近開発された機器もあるかもしれない。
2004年4月、宇宙システムの安全性に関する国際協力と科学的進歩を促進するために、オランダで国際宇宙安全推進協会が設立された。[ 32 ]
地球周回軌道上の宇宙船のような微小重力環境では、人間は「無重力」のような感覚を覚えます。微小重力に短期間さらされると、前庭系の機能障害によって引き起こされる、自然に治まる吐き気である宇宙適応症候群が発生します。長期間さらされると、様々な健康問題が生じます。最も深刻なのは骨量の減少で、その一部は永久的なものですが、微小重力は筋肉組織や心血管組織の著しい機能低下にもつながります。
大気圏を超えると、ヴァン・アレン帯、太陽放射、宇宙放射線による放射線問題が発生し、増加します。地球からさらに遠く離れると、太陽フレアによって数分で致命的な放射線量を与える可能性があり、宇宙放射線による健康被害は、 10年以上被曝すると癌になる可能性を大幅に高めます。[ 33 ]
有人宇宙飛行において、生命維持システムは、人間が宇宙空間で生存できるようにする装置群です。NASAは、有人宇宙飛行ミッションのこれらのシステムを説明する際に、環境制御および生命維持システム、または略称ECLSSというフレーズをよく使用します。[ 34 ]生命維持システムは、空気、水、食料を供給する場合があります。また、適切な体温、身体への許容圧力を維持し、身体の老廃物を処理する必要もあります。放射線や微小隕石などの有害な外部影響から遮蔽することも必要になる場合があります。生命維持システムの構成要素は生命維持に不可欠であり、安全工学技術を使用して設計および構築されています。
宇宙天気とは、宇宙空間における環境条件の変化に関する概念です。これは惑星大気内の天気の概念とは異なり、宇宙空間（一般的には地球近傍ですが、惑星間空間や時折星間空間にも存在します）における周囲のプラズマ、磁場、放射線、その他の物質に関わる現象を扱います。「宇宙天気とは、地球とその技術システムに影響を与える宇宙空間の状況を記述したものです。私たちの宇宙天気は、太陽の挙動、地球の磁場の性質、そして太陽系における私たちの位置の結果です。」[ 35 ]
宇宙天気は、宇宙探査および開発に関連するいくつかの分野に大きな影響を与えます。地磁気の変化は、大気密度の変化を引き起こし、低軌道における宇宙船の高度の急速な低下を招く可能性があります。太陽活動の活発化による地磁気嵐は、宇宙船搭載センサーの機能を阻害したり、搭載電子機器に干渉したりする可能性があります。宇宙環境条件を理解することは、有人宇宙船の遮蔽システムや生命維持システムの設計においても重要です。
ロケットの排気による汚染は、推進剤の反応によって生成される排気と排気場所によって決まります。排気されるのは主に温室効果ガスで、時には有毒な成分も含まれます。特に大気圏の上層部では、排気ガスの温室効果ガスとしての効力が著しく高まります。[ 36 ]多くの固体ロケットには過塩素酸塩などの塩素が含まれており、これがオゾン層に一時的な局所的な穴を開ける可能性があります。再突入する宇宙船は硝酸塩を生成し、これも一時的にオゾン層に影響を与える可能性があります。ほとんどのロケットは、製造中に環境に影響を与える可能性のある金属でできています。宇宙飛行は全体として他の人間の活動に比べて汚染はごくわずかですが、乗客一人当たりで計算すると依然として深刻な汚染を引き起こします。[ 36 ]
大気への影響に加え、地球近傍の宇宙環境にも影響があります。衛星や宇宙船の破片剥離によって宇宙ゴミが指数関数的に増加し（ケスラー症候群）、軌道が何世代にもわたってアクセス不可能になる可能性が指摘されています。そのため、現在打ち上げられる多くの宇宙船は、使用後に大気圏に再突入するように設計されています。
宇宙交通管理や責任問題など、幅広い問題が宇宙飛行規制の課題となっている。
宇宙飛行への全人類の参加と代表は、宇宙探査の第一段階以来、国際宇宙法上の問題となっている。 [ 37 ]宇宙飛行を行わない国の権利の一部は確保されているものの、全人類による宇宙の共有は、宇宙飛行を資源と捉える帝国主義的で不十分なものとして依然として批判されている。 [ 37 ]
包摂性は国内外の課題であり、1967年の宇宙条約では宇宙空間が「全人類の領域」であると宣言されました。さらに、有人宇宙飛行における社会的包摂が求められており、女性の宇宙飛行は制限され、障害者などのマイノリティは欧州宇宙機関の2022年の宇宙飛行士グループにようやく選ばれたに過ぎません。
近年の宇宙へのアクセスに関する主要な問題は、宇宙ゴミと宇宙の持続可能性の問題であり、確立された宇宙開発国は軌道上での宇宙汚染活動によって宇宙へのアクセスを危険にさらしている。[ 38 ]
宇宙飛行の現在および将来の用途には、以下のようなものがある。
初期の宇宙開発のほとんどは政府によって資金提供された。しかし、今日では通信衛星や衛星テレビといった主要な打ち上げ市場は完全に商業化されているが、打ち上げロケットの多くは元々は政府によって資金提供されていた。
民間宇宙飛行は急速に発展している分野です。宇宙飛行は企業や個人によって費用が負担されるだけでなく、多くの場合、民間宇宙飛行会社によって提供されます。これらの企業は、これまで宇宙へのアクセスに高額な費用がかかっていたのは、政府が非効率な政策を行っていたためであり、自分たちはそれを回避できると主張することがよくあります。この主張は、民間資金で開発されたファルコン9などの民間宇宙ロケットの打ち上げコストが大幅に低いことが裏付けられています。宇宙旅行、特に宇宙植民地化といった用途が拡大していくためには、打ち上げコストの低減と優れた安全性が不可欠となるでしょう。
宇宙航行とは、宇宙船の運用能力を持ち、かつ積極的に運用に携わることである。これには、航空学、宇宙航行学、宇宙飛行士養成プログラム、宇宙天気予報、宇宙船運用、各種機器の操作、宇宙船の設計と建造、大気圏離陸と再突入、軌道力学（別名：宇宙力学）、通信、エンジンとロケット、曳航、微小重力構造物、宇宙ドッキングなどの作業の実行、貨物取扱機器、危険物および貨物保管、船外活動、緊急事態への対処、宇宙での生存と応急処置、消火活動、生命維持など、さまざまな分野の知識と専門的なスキルの開発が含まれる。これらの分野で必要とされる知識の程度は、作業の性質と使用する船舶の種類によって異なる。「宇宙航行」は航海に例えられる。
地球・月系外への有人探査はこれまで一度も行われていない。しかし、米国、ロシア、中国、欧州宇宙機関（ESA）加盟国、そしていくつかの企業が、火星への有人探査計画を様々な段階で進めている（火星への有人探査計画を参照）。
宇宙航行主体は、主権国家、超国家組織、民間企業である。宇宙航行国家とは、宇宙船を独自に建造し、宇宙へ打ち上げることができる国のことである。[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]民間企業の中には、宇宙航行主体になった、あるいはなりつつある企業が増えている。
国連宇宙空間事務局（UNOOSA）は、宇宙開発国と非宇宙開発国間の宇宙活動に関する国際的な連絡と交流を担う主要な多国間機関である。
現在、ロシア、米国、中国の3カ国のみが有人宇宙飛行を行っている。有人宇宙飛行を初めて実施した国を日付順に並べると以下のようになる。
以下の国または組織は、自国領土から、または外国の支援を受けて、無人宇宙船を軌道に打ち上げるための独自の打ち上げロケットを開発しました（括弧内は最初の打ち上げ日）：[ 42 ]
また、カナダ、イタリア、オーストラリアなどのいくつかの国は、自国で製造した衛星を外国製のロケットで打ち上げるという、半独立的な宇宙開発能力を持っていた。カナダは1962年と1965年に衛星（アルエット1号と2号）を設計・製造し、米国のロケットで軌道に乗せた。イタリアは、国際宇宙ステーション用の加圧モジュールだけでなく、いくつかの衛星も設計・製造した。初期のイタリアの衛星は、NASAが提供するロケットを使用して打ち上げられ、最初は1964年にウォロップス飛行施設から、その後1967年から1988年の間にケニアの宇宙港（サンマルコプラットフォーム）から打ち上げられた。イタリアは1998年以来、欧州宇宙機関内でベガロケット計画の開発を主導してきた。[ 48 ]英国は1972年に独自の宇宙打ち上げ計画を放棄し、1974年まで欧州打ち上げロケット開発機構（ELDO）と打ち上げ技術で協力した。オーストラリアはWRESATの打ち上げ成功後まもなく打ち上げ計画を放棄し、ELDOの唯一の非欧州加盟国となった。
カーマン線を超えて物体を打ち上げることを宇宙飛行の最低限の要件とみなすと、ドイツはV-2ロケットで1944年に最初の宇宙飛行国となった。[ 49 ]次の国々は、自国のロケットやミサイル、あるいはその両方を準軌道空間に打ち上げることによってのみ準軌道宇宙飛行能力を達成した。
ドッキングとは、接近する宇宙船が別の宇宙船とランデブーし、制御された衝突軌道を飛行してインターフェース機構を整列させてかみ合わせることです。宇宙船のドッキング機構は通常、ソフトキャプチャと呼ばれる段階に入り、続いて荷重減衰段階を経て、ハードドッキング位置になり、宇宙船間に気密な構造的接続が確立されます。一方、バースとは、接近する宇宙船がロボットアームによって掴まれ、そのインターフェース機構が固定されたインターフェース機構の近くに配置されることです。その後、通常はキャプチャプロセス、粗調整と微調整、そして構造的取り付けが行われます。
ドッキング：2つの独立した自由飛行宇宙機が結合または接近すること。
係留とは、リモートマニピュレータシステム(RMS)を使用して非アクティブなモジュール/車両を係留インターフェースに配置する係留操作を指します。ドッキングとは、アクティブな車両が自力で係留インターフェースに飛行する係留操作を指します。
準軌道地球間輸送の最も一般的なコンセプトは、他ならぬイーロン・マスクとスペースXによるものです。主に植民地化を目的として火星に大型ペイロードを輸送するために設計された次世代スターシップ打ち上げシステムは、地球周辺で大量の貨物を輸送するボーナス機能を提供します。
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