宇宙打ち上げ

宇宙打ち上げは、宇宙に到達する飛行の最初の部分です。宇宙打ち上げには、飛行の開始時にロケットまたはその他の宇宙打ち上げ車両が地上、浮遊する船舶、または空中の航空機から離れるリフトオフが含まれます。リフトオフには、ロケット打ち上げ(現在の従来の方法) と非ロケット宇宙打ち上げ(空気吸入式ジェットエンジンなどの他の推進形式が使用される) の 2 つの主なタイプがあります。

宇宙に到達する際の問題

宇宙の定義

地球の大気と宇宙の間には明確な境界はありません。高度が上がるにつれて大気の密度が徐々に減少するからです。境界の標準的な指定には、次のようなものがあります。

国際航空連盟は、航空学と宇宙学の境界の暫定的な定義として、高度100 km (62 mi) のカルマン線を定めた。これは、セオドア・フォン・カルマンが計算したように、高度約100 km (62 mi) では、乗り物が大気圏から十分な揚力を得て自力で飛行するには、軌道速度よりも速く飛行する必要があるためである。^[2]^{: 84}^[3]
2021年まで、米国は高度50マイル（80キロメートル）以上を飛行する人を宇宙飛行士と指定していた。^[4]^{: 16} 宇宙飛行士の称号は現在、「飛行中に公共の安全に不可欠な活動を行った、または有人宇宙飛行の安全に貢献した」宇宙船の乗組員にのみ授与される。^[5]
NASAのスペースシャトルが使用再突入高度（エントリーインターフェイスと呼ばれる）は400,000フィート、または75.76マイル（120 km）であり、これは大気抵抗が顕著になる境界を示し、スラスターによる操縦から空力制御面による操縦への切り替えプロセスが開始されます。^[6]

2009年、科学者たちは超熱イオンイメージャー（イオンの方向と速度を測定する機器）による詳細な測定結果を報告し、地球上空118km（73.3マイル）に境界を確立することができました。この境界は、地球の大気の比較的穏やかな風から、268m/s（880フィート/s）をはるかに超える速度に達することもある宇宙の荷電粒子のより激しい流れへの、数十kmにわたる緩やかな移行の中間点を表しています。^[7]^[8]

エネルギー

定義上、宇宙飛行を行うには十分な高度が必要です。これは、最低限の重力位置エネルギーを克服する必要があることを意味します。カルマン線の場合、これは約 1 MJ/kg です。W=mgh、m=1 kg、g=9.82 m/s ²、h=10 ⁵ m。W=1*9.82*10 ⁵ ≈10 ⁶ J/kg=1MJ/kg

実際には、空気抵抗、推進効率、使用されるエンジンのサイクル効率、重力抵抗などの損失のために、これよりも大きなエネルギーを消費する必要があります。

過去 50 年間、宇宙飛行とは通常、上昇してすぐに地球に落下するのではなく、一定期間宇宙に留まることを意味していました。これには軌道が伴いますが、これは主に速度の問題であり、高度の問題ではありません。ただし、空気摩擦やそれに関連する高度、および軌道を考慮する必要がないということではありません。衛星が維持する多くの軌道よりもはるかに高い高度では、高度がより大きな要因になり、速度はより小さな要因になります。より低い高度では、軌道に留まるために高い速度が必要なため、空気摩擦は、宇宙の一般的なイメージよりもはるかに大きな影響を衛星に与える重要な考慮事項です。さらに低い高度では、前進速度のない気球が、衛星が果たす役割の多くを果たすことができます。

G力

多くの貨物、特に人間には、耐えられる限界の重力加速度があります。人間の場合、これは約 3～6 g です。ガンランチャーなどの一部のランチャーは、数百または数千 g の加速度を与えるため、完全に不適切です。

信頼性

ロケットは、ミッション達成の信頼性に関してそれぞれ異なります。

安全性

安全性とは、負傷や死亡を引き起こす可能性のことです。信頼性の低いランチャーは必ずしも安全ではないわけではありませんが、信頼性の高いランチャーは通常は安全ですが、常に安全であるとは限りません。

打ち上げロケット自体の壊滅的な故障以外にも、減圧や、長期間その内部を周回する軌道を妨げるヴァン・アレン放射線帯など、その他の安全上の危険がある。

軌道最適化

軌道最適化は、一連の制約を満たしながら、何らかのパフォーマンス指標を最小化 (または最大化) する軌道を設計するプロセスです。一般的に、軌道最適化は、最適制御問題に対する開ループ解を計算する手法です。これは、完全な閉ループ解の計算が不要、非現実的、または不可能なシステムによく使用されます。軌道最適化問題がLipschitz 定数の逆数で与えられる速度で解ける場合、それを反復的に使用して、 Caratheodoryの意味での閉ループ解を生成できます。無限時間問題に対して軌道の最初のステップのみが実行される場合、これはモデル予測制御 (MPC)と呼ばれます。

軌道最適化の考え方は数百年前から存在していたが（変分法、最速降下問題）、コンピュータの出現によって初めて現実世界の問題に実用的になった。軌道最適化の元々の応用の多くは航空宇宙産業で、ロケットやミサイルの打ち上げ軌道の計算に使われていた。最近では、軌道最適化はさまざまな産業プロセスやロボット工学のアプリケーションでも使用されている。^[9]

炭素排出量

多くのロケットは化石燃料を使用しています。例えば、SpaceXのFalcon Heavyロケットは400トンの灯油を燃焼し、平均的な自動車が2世紀以上かけて排出する量よりも多くの二酸化炭素を数分で排出します。今後数年間でロケットの打ち上げ数は大幅に増加すると予想されており、軌道への打ち上げが地球に与える影響はさらに悪化すると予想されています。^{[中立性は議論されています]一部}のロケット製造業者（Orbex、ArianeGroupなど）は、異なる打ち上げ燃料（バイオプロパン、バイオマスから生成されるメタンなど）を使用しています。^[10]

持続的な宇宙飛行

弾道発射

弾道宇宙飛行とは、地球を一周せずに宇宙空間に到達する宇宙打ち上げのことで、宇宙空間に到達するには最高速度約 1 km/s、大陸間宇宙飛行などの長距離飛行では最高 7 km/s の速度が必要です。弾道飛行の例としては、弾道ミサイル、ヴァージンギャラクティックなどの将来の観光飛行、スペースライナーなどの大陸間輸送飛行などが挙げられます。軌道最適化補正を行わずに安定した軌道に到達しない宇宙打ち上げは、軌道を完全に離れるのに十分な推力がない限り、弾道宇宙飛行になります (スペースガン#軌道への到達を参照)。

軌道打ち上げ

さらに、軌道が必要な場合は、機体に横方向の速度を与えるために、はるかに大量のエネルギーを生成する必要があります。達成しなければならない速度は、軌道の高度によって異なります。高度が高いほど、必要な速度は低くなります。ただし、高度が高いことで生じる余分な位置エネルギーを考慮すると、全体として、低い軌道よりも高い軌道に到達する方が多くのエネルギーが使用されます。

地球の表面近くの軌道を維持するために必要な速度は、横方向の速度で約 7.8 km/s (17,400 mph)、エネルギーで約 30 MJ/kg に相当します。これは、実際のロケット推進剤混合物の 1 kg あたりのエネルギーの数倍に相当します。

運動エネルギーを得るのは、空気抵抗によって宇宙船の速度が遅くなる傾向があるため、難しい作業です。そのため、ロケット推進の宇宙船は、通常、妥協的な軌道を飛行し、大気圏の最も厚い部分を非常に早い段階で離れ、その後、たとえばホーマン遷移軌道を飛行して、必要な特定の軌道に到達します。これにより、空気抵抗が最小限に抑えられるだけでなく、機体が浮いている時間も最小限に抑えられます。空気抵抗は、提案されている、または現在行われている打ち上げシステムすべてにおいて重要な問題ですが、通常、軌道に到達するのに十分な運動エネルギーを得ることの難しさに比べると、それほど重要ではありません。

脱出速度

地球の重力を完全に克服するには、宇宙船が重力ポテンシャルエネルギー井戸の深さを超えるのに十分なエネルギーを獲得する必要があります。これが発生すると、エネルギーが非保存的な方法で失われない限り、宇宙船は地球の影響から抜け出します。ポテンシャル井戸の深さは宇宙船の位置によって決まり、エネルギーは宇宙船の速度によって決まります。運動エネルギーがポテンシャルエネルギーを超えると脱出が発生します。地球の表面では、これは 11.2 km/s (25,000 mph) の速度で発生しますが、実際には空気抵抗のため、はるかに高い速度が必要になります。

宇宙打ち上げの種類

ロケット打ち上げ

大型ロケットは通常、点火後数秒まで安定した支持を提供する発射台から打ち上げられる。ロケットは排気速度が2,500～4,500 m/s（9,000～16,200 km/h、5,600～10,100 mph）と高いため、軌道速度が約7,800 m/s（28,000 km/h、17,000 mph）など、非常に高い速度が必要な場合に特に有用である。軌道上に打ち上げられた宇宙船は人工衛星となり、多くの商業目的で使用される。実際、ロケットは宇宙船を軌道上およびそれ以上に打ち上げる唯一の方法であり続けている。^{[11]また、ロケットは宇宙船が軌道を変更するときや}着陸のために軌道から外れるときに急速に加速するために使用される。また、ロケットは着陸直前に硬いパラシュート着陸を和らげるために使用されることもある（逆噴射ロケットを参照）。

ロケット以外の打ち上げ

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多くを、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する宇宙への打ち上げの理論的概念を指す。^[12]現在までの宇宙打ち上げはすべてロケットであったが、ロケットに代わる多くの方法が提案されてきた。^[13]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る。

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^[14]、火星のテラフォーミング^[15] 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。

参考文献

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外部リンク

記事のタイトル^[盗用]世界中の宇宙打ち上げ活動に関する定期的なニュースダイジェスト。
最新の衛星打ち上げは http://www.n2yo.com/ から。
Space Review は、宇宙探査のあらゆる側面に関する詳細な記事、解説、レビューを掲載するオンライン出版物です。

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