宇宙船の推進

宇宙船の推進とは、宇宙船や人工衛星を加速するために使用されるあらゆる方法です。宇宙推進は、宇宙の真空中で使用される推進システムのみを扱い、宇宙打ち上げや大気圏突入と混同しないでください。

実用的な宇宙船の推進方法はいくつか開発されており、それぞれに長所と短所がある。ほとんどの衛星は、軌道維持のためにシンプルで信頼性の高い化学スラスタ（多くの場合、一液推進剤ロケット）またはレジストジェットロケットを使用しているが、姿勢制御に運動量ホイールを使用するものもいくつかある。ロシアとそれ以前のソビエト圏の衛星は数十年にわたって電気推進を使用しており^{[本文では検証されていません]}、西側の新しい地球周回宇宙船は南北の軌道維持と軌道上昇に電気推進を使用し始めている。惑星間輸送体もほとんどが化学ロケットを使用しているが、イオンスラスタやホール効果スラスタなどの電気推進を使用しているものもいくつかある。小型衛星やロボットによる深宇宙探査から宇宙ステーションや火星への有人ミッションまで、あらゆるものをサポートするにはさまざまな技術が必要である。

仮想宇宙推進技術は、将来の宇宙科学および探査のニーズを満たす推進技術について説明しています。これらの推進技術は、太陽系の効果的な探査を提供することを目的としており、ミッション設計者は、信頼性と安全性を高めながら、「いつでもどこでも飛行し、目的地で多数の科学目標を達成する」ミッションを計画できるようになります。さまざまなミッションと候補となる推進技術があるため、将来のミッションにどの技術が「最適」であるかという問題は難しいものです。現在、専門家の意見では、さまざまなミッションと目的地に最適なソリューションを提供するために、推進技術のポートフォリオを開発する必要があると考えられています。^{[1] [2] [3]}

宇宙探査とは、安全に（ミッションの実現）、迅速に（移動時間の短縮）、大量のペイロード質量を持ち、比較的安価に（コストの低減）目的地に到達することです。目的地に到達するには宇宙推進システムが必要であり、他の指標はこの基本的な動作の修飾子です。^{[4] [3]}推進技術は、ミッションの重要な側面の多くを大幅に改善することができます。

地球から宇宙船を打ち上げる場合、推進方法はより高い重力を克服して正の純加速度を提供する必要があります。^{[5]宇宙では、}推進システムの目的は宇宙船の速度、つまりvを変更することです。 ^[6]

宇宙での推進は、打ち上げロケットの上段が終わるところから始まり、主推進、反応制御、位置保持、精密指向、軌道操作の機能を実行します。宇宙で使用されるメインエンジンは、軌道変換、惑星軌道、惑星外着陸と上昇のための主な推進力を提供します。反応制御および軌道操作システムは、軌道維持、位置制御、位置保持、宇宙船の姿勢制御のための推進力を提供します。^{[4] [2] [3]}

軌道上では、たとえ小さな衝撃であっても、軌道経路に2つの変化が生じます。^[7]

• 順行/逆行（つまり、接線方向/接線方向の反対方向の加速）、これにより軌道の高度が上昇/低下する
• 軌道面に対して垂直であり、軌道傾斜角が変化する。^[要出典]

地球の表面は重力井戸のかなり深いところに位置しており、軌道から離脱するために必要な脱出速度は11.2キロメートル/秒です。 ^[8]そのため、それ以上の目的地では、推進システムは十分な推進剤と十分に高い効率を必要とします。他の惑星や衛星でも同様ですが、重力井戸が低いものもあります。

人類は「 1G 」（9.81m/s²）の重力場で進化してきたため、有人宇宙飛行の推進システムにとって、その加速度を継続的に提供することが最も快適であると考えられる^{（誰がそう言っているのか？）}（ただし、人間の体は短期間であればはるかに大きな加速度に耐えることができる）。^[9]このような推進システムを備えたロケットや宇宙船の乗員は、吐き気、筋力低下、味覚の低下、骨からのカルシウムの浸出など、自由落下の悪影響を受けない。 ^{[10] [11]}

ツィオルコフスキーのロケット方程式は、運動量保存の法則を用いて、ロケットエンジンの推進方法で宇宙船の運動量を変えるには、何か他のものの運動量を反対方向に変えなければならないことを示している。言い換えれば、ロケットは宇宙船の加速方向と反対の方向に質量を使い果たさなければならず、そのような使い果たされた質量は推進剤または反応質量と呼ばれる。^{[12] ：第1.2.1節 [13]これが起こるためには、反応質量とエネルギーの両方が必要である。質量}mの反応質量の粒子を速度vで発射することによって得られる衝撃はmvである。しかし、この粒子は運動エネルギーmv ²/2を持ち、それはどこかから来なければならない。従来の固体、液体、またはハイブリッドロケットでは、燃料が燃焼してエネルギーを供給し、反応生成物がエンジンノズルから流れ出て反応質量を提供する。イオンスラスタでは、電気を使用して宇宙船の後ろでイオンを加速する。ここでは他の供給源（例えば太陽電池や原子炉）が電気エネルギーを供給する必要があり、イオンが反応物質を供給する。^[5]

速度の変化率は加速度と呼ばれ、運動量の変化率は力と呼ばれます。^[14]与えられた速度に到達するには、長い期間にわたって小さな加速度を適用することも、短い時間で大きな加速度を適用することもできます。同様に、短い時間で大きな力を適用することも、長い時間にわたって小さな力を適用して与えられた衝撃を達成することもできます。これは、宇宙での操縦において、長い時間にわたって小さな加速度を生み出す推進方法が、短い時間に大きな加速度を生み出す別の方法と同じ衝撃を生み出すことができることを意味します。^[15]しかし、惑星から打ち上げる場合、小さな加速度では惑星の重力に打ち勝つことができないため、使用できません。^[16]

しかし、いくつかの設計では、磁場や光圧を利用して宇宙船の運動量を変化させ、内部反応質量なしで動作します。

推進システムの効率について議論する際、設計者は反応質量の有効利用に焦点を合わせることが多い。反応質量はロケットとともに運ばれなければならず、使用すると回復不能に消費される。^{[17]宇宙船の性能は}、消費された推進剤の単位あたりの運動量の変化量、つまり比推力で定量化できる。これは、一定量の反応質量から得られる推力の量を測る尺度である。比推力が高いほど、効率は良くなる。イオン推進エンジンは比推力が高く（約3000秒）、推力は低いが^{[18] 、}一液性推進剤や二液性推進剤のロケットエンジンなどの化学ロケットは比推力が低い（約300秒）が、推力は高い。^[19]

地球上の単位重量あたりの推力（通常は と表記）の単位は秒です。^[15]宇宙船について議論する場合、反作用質量の地球上での重量は重要ではないことが多いため、比推力は速度と同じ単位（たとえば、メートル毎秒）で単位質量あたりの推力として議論することもできます。^{[20]この測定値はエンジンの}有効排気速度に相当し、通常は と表記されます。^{[21]宇宙船で使用される推進剤の単位あたりの運動量の変化、または宇宙船から排出される推進剤の速度のいずれかを使用して、その「比推力」を測定できます。2つの値は}、標準重力加速度g _n、9.80665 m/s²（）の係数で異なります。 ^[22]${\displaystyle I_{\text{sp}}}$${\displaystyle v_{e}}$${\displaystyle I_{\text{sp}}g_{\mathrm {n} }=v_{e}}$

化学ロケットとは対照的に、電気力学ロケットは電界または磁場を使用して充填された推進剤を加速します。この方法の利点は、排気速度を化学エンジンの10倍以上まで上げることができるため、はるかに少ない燃料で安定した推力を生み出すことができることです。従来の化学推進システムでは、ロケットの全質量の2％が目的地に到達し、残りの98％は燃料として消費されます。電気推進システムでは、低地球軌道に搭載されているものの70％が深宇宙の目的地に到達できます。^[23]${\displaystyle I_{\text{sp}}}$

しかし、トレードオフがある。化学ロケットは推進剤を、推進に必要なエネルギーのほとんどに変換するが、電磁ロケットは推進剤を生成して加速するために必要な電力を運ぶか、または生成する必要がある。現在、宇宙船で利用できる電力量には実際的な制限があるため、これらのエンジンは打ち上げ用ロケットには適しておらず、また、宇宙船が捕捉軌道に入るためにブレーキをかけるときなど、宇宙船が迅速かつ大きな衝撃を必要とする場合には適していない。それでも、電気力学的ロケットは非常に高い を提供するため、ミッションプランナーは、推進剤の質量を大量に節約するために、電力と推力（および宇宙船を必要な場所に到達させるのにかかる余分な時間）を犠牲にすることをますますいとわなくなっている。^[22]${\displaystyle I_{\text{sp}}}$

宇宙船は宇宙の多くの領域で活動します。これには、軌道操作、惑星間旅行、恒星間旅行が含まれます。

人工衛星は、まず従来の液体燃料/固体燃料ロケットで目的の高度まで打ち上げられ、その後、衛星は搭載された推進システムを使用して軌道維持を行う。目的の軌道に入ったら、地球、太陽、場合によっては興味のある天体に対して正しく向くように、何らかの姿勢制御が必要になることが多い。[ 24 ]^また、薄い大気による抗力も受けるため、長期間にわたって軌道にとどまるには、小さな修正（軌道維持）を行うために、何らかの推進力が時折必要になる。^[25]多くの衛星は、時々ある軌道から別の軌道に移動させる必要があり、これにも推進力が必要である。^[26]衛星の耐用年数は、軌道調整能力が尽きると通常終了する。^[27]

惑星間旅行では、宇宙船はエンジンを使用して地球の軌道を離れることができます。これは明示的には必要ではなく、ロケット、重力スリングショット、一元推進剤/二元推進剤姿勢制御推進システムによる最初のブーストは太陽系の探査に十分です（ニューホライズンズを参照）。それが終わったら、目的地に向かわなければなりません。現在の惑星間宇宙船は、一連の短期間の軌道調整によってこれを行います。^[28]これらの調整の合間に、宇宙船は通常、加速せずに軌道に沿って移動します。ある円軌道から別の円軌道に移動するための最も燃料効率の良い方法は、ホーマン遷移軌道を使用することです。つまり、宇宙船は太陽の周りのほぼ円軌道から始まります。移動方向への短時間の推力により、宇宙船は加速または減速され、前の軌道と目的地の軌道の両方に接する太陽の周りの楕円軌道になります。宇宙船は目的地に到達するまでこの楕円軌道に沿って自由落下し、目的地に到着すると、別の短い期間の推力によって加速または減速され、目的地の軌道に合わせられます。^{[29]この最終的な軌道調整には、}エアロブレーキングやエアロキャプチャーなどの特殊な方法が使用されることがあります。^[30]

ソーラーセイルなどの宇宙船の推進方法は、非常に低いが無尽蔵の推力を提供する。^[31]これらの方法の1つを使用する惑星間車両は、太陽からの距離を縮めるために常に運動方向と反対の方向に推進するか、太陽からの距離を増やすために運動方向に沿って常に推進するかのいずれかのかなり異なる軌道をたどる。^{[要出典]このコンセプトは、日本の}イカロスソーラーセイル宇宙船によって成功裏にテストされた。 ^[32]

恒星間の距離は長いため、宇宙船を適切な時間内に目的地に到着させるには、途方もない速度が必要です。打ち上げ時にそのような速度を獲得し、到着時にそれを取り除くことは、宇宙船の設計者にとって依然として困難な課題です。^{[33]人間の寿命と比較して短期間の恒星}間旅行が可能な宇宙船はまだ建造されていませんが、多くの仮説的な設計が議論されています。

宇宙船の推進技術には、化学、電気、原子力などいくつかの種類があります。これらは推進システムの物理的性質と推力の発生方法に基づいて区別されます。その他の実験的タイプや理論的なタイプも、その技術的成熟度に応じて含まれています。さらに、出版時点では予見または検討されておらず、将来のミッションアプリケーションに有益であることが示される可能性のある、信頼できる優れた宇宙推進コンセプトが存在する可能性があります。^[34]

ほぼ全てのタイプは反動エンジンであり、ニュートンの運動の第三法則に従って、反動質量を排出することで推力を生み出す。^{[35] [36] [37]例としては、}ジェットエンジン、ロケットエンジン、ポンプジェット、そしてより珍しいバリエーションとしてホール効果スラスタ、イオンドライブ、マスドライバー、核パルス推進などがある。^[38]

現在使用されているロケットエンジンの大部分は化学ロケットである。つまり、化学反応によって推力を発生させるために必要なエネルギーを得て高温のガスを生成し、それを膨張させて推力を生み出す。^[39]これらの化学反応を得るために、ヒドラジン、液体酸素、液体水素、亜酸化窒素、過酸化水素など、さまざまな推進剤の組み合わせが使用される。^{[40]これらは、}一元推進剤としても二元推進剤としても使用できる。^[41]

ロケットエンジンは、宇宙船の推進に使用されるエンジンの中で、本質的に最も高い比出力と高い比推力を提供します。^{[22]ほとんどのロケットエンジンは}内燃 熱機関です（非燃焼形式も存在します）。^[42]ロケットエンジンは通常、固体、液体、または気体の燃料を燃焼室内で酸化剤と燃焼させることで、高温の反応物質を高温ガスとして生成します。^{[43]非常に高温のガスは、高膨張比のベル型}ノズルから排出されます。これがロケットエンジンの特徴的な形状を生み出しています。^[42]ノズルの効果は、物質を加速し、熱エネルギーの大部分を運動エネルギーに変換することです。^[44]排気速度は、海面で音速の10倍に達するのが一般的です。^[要出典]

衛星の化学推進の主流は歴史的にヒドラジンであったが、この燃料は非常に有毒であり、ヨーロッパ全土で禁止される恐れがある。^[45]現在、ヒドラジンに代わる無毒の「グリーン」代替品が開発されている。亜酸化窒素ベースの代替品は注目を集め、政府の支援も得ており、^{[46] [47]}民間企業のドーン・エアロスペース、インパルス・スペース、^[48]およびランチャーが開発を主導している。^[49]宇宙で飛行した最初の亜酸化窒素ベースのシステムは、2021年にD-オービットのION衛星キャリア（スペースタグ）に搭載され、6つのドーンエアロスペースB20スラスタを使用して、スペースX ファルコン9ロケットで打ち上げられた。^{[50] [51]}

反応物質を高速まで加速するために高温と流体力学に頼るのではなく、反応物質が通常イオンの流れである場合、静電気力または電磁力を使用して反応物質を直接加速するさまざまな方法があります。^{[引用が必要]}

イオン推進ロケットは、通常、磁気ボトル内のプラズマまたは帯電ガスを加熱し、磁気ノズルから放出するため、固体物質がプラズマと接触する必要はありません。^[52]このようなエンジンは、最初に原子をイオン化し、次に電圧勾配を作成してイオンを高い排気速度まで加速するために電力を使用します。^[53]これらのドライブでは、最高排気速度では、エネルギー効率と推力はすべて排気速度に反比例します。^{[引用が必要]}排気速度が非常に速いため、大量のエネルギーが必要になり、実用的な電源では推力は低くなりますが、燃料はほとんど使用しません。^{[引用が必要]}

電気推進は、その高い比推力のため、商用通信衛星の軌道維持や一部の科学宇宙ミッションの主推進によく使用されます。 ^[54]しかし、一般的に推力値が非常に小さいため、ミッションに必要な総推力を供給するには長時間運転する必要があります。^{[4] [55] [56] [57]}

電気推進のアイデアは、ロバート・ゴダードが個人のノートにその可能性について書いた1906年に遡ります。^[58] コンスタンチン・ツィオルコフスキーは1911年にそのアイデアを発表しました。^[59]

電気推進方式には以下のものがある: ^[60]

• イオンスラスタは、まずイオンを加速し、その後、中和器と呼ばれる陰極から放出される電子流でイオンビームを中和します。^[61]
  • 静電イオンスラスタ
  • 電界放出電気推進
  • マグビームスラスタ
  • ホール効果スラスタ
  • コロイドスラスタ
• 電熱スラスタでは、電磁場を使用してプラズマを生成し、バルク推進剤の熱を増加させ、推進剤ガスに与えられた熱エネルギーは、物理的材料構造のノズルまたは磁気手段によって運動エネルギーに変換されます。^{[引用が必要]}
  • 直流電流またはマイクロ波を使用するアークジェット
  • ヘリコン二層スラスター
  • レジスタントジェット
• 電磁スラスタでは、イオンはローレンツ力によって、または電場が加速方向ではない電磁場の効果によって加速されます。^[要出典]
  • プラズマ推進エンジン
  • 磁気プラズマ動力スラスター
  • 無電極プラズマスラスタ
  • パルス誘導スラスタ
  • パルスプラズマスラスタ
  • 可変比推力磁気プラズマロケット（VASIMR）
  • 真空アークスラスタ
• 推進用に設計されたマスドライバー。 ^[要出典]

いくつかのミッション、特に太陽に比較的近いミッションでは太陽エネルギーで十分であり、これまでもしばしば使用されてきたが、太陽から遠く離れた場所や高出力のミッションでは原子力エネルギーが必要となる。原子力から電力を得るエンジンは原子力電気ロケットと呼ばれる。^[62]

現在の原子力発電機は、太陽から地上の距離では、供給されるエネルギー1ワットあたりの重量が太陽電池パネルの約半分です。 ^[要出典]化学発電機は、利用可能な総エネルギーがはるかに少ないため使用されていません。^{[63] NASAと}コロラド大学ボルダー校によると、宇宙船へのビーム電力は可能性があると考えられています。^{[64] [65]}

化学、原子力、太陽光など、現在のあらゆる電力源では、生成できる最大電力量によって、生成できる推力の量が制限されます。^[要出典]発電は宇宙船にかなりの質量を追加し、最終的には電源の重量が宇宙船の性能を制限します。^[66]

核燃料は、通常、化学燃料よりもはるかに高い比エネルギーを持ち、単位質量あたり大量のエネルギーを生成できる。これにより、核燃料は高い比推力、場合によっては高推力も実現できるため、宇宙飛行において貴重となる。これを行うための機械は複雑だが、研究により推進システムで使用する方法が開発されており、いくつかは実験室でテストされている。^[67]

ここでの原子力推進とは、推進力の源が原子力であることを指し、原子力電気ロケットでは、原子炉が（太陽電池パネルの代わりに）他のタイプの電気推進力に電力を供給することを指します。

原子力推進方式には以下のものがあります。

• 核分裂生成物ロケット
• 核分裂帆
• 核融合ロケット
• 原子力熱ロケット（NTR）
• 核パルス推進
• 核塩水ロケット
• 放射性同位元素ロケット

機能するために反応質量をほとんどまたはまったく必要としないさまざまな宇宙ドライブが存在します。

多くの宇宙船は、宇宙での方向を制御するために、反作用ホイールまたは制御モーメントジャイロスコープを使用しています。 ^[68]衛星やその他の宇宙船は、角運動量保存の法則に従っており、物体の角速度の純変化を制限しています。したがって、反作用質量を消費せずに相対的な方向を変えるには、船の別の部分を反対方向に回転させる場合があります。主に重力と大気による非保存的な外力は、1日あたり最大数度の角運動量に影響を与える可能性があるため、^[69]このようなシステムは、時間の経過とともに蓄積された不要な回転エネルギーを「放出」するように設計されています。

運動量保存の法則は、通常、反作用質量を使用しないエンジンは宇宙船の質量中心を加速できない（一方で、向きを変えることは可能）ことを意味すると解釈される。[^要出典]しかし、宇宙空間、特に太陽系内の空間は空ではない。重力場、磁場、電磁波、太陽風、太陽放射が存在する。^[70]特に電磁波は、質量がないにもかかわらず、運動量を含むことが知られている。具体的には、電磁波の運動量フラックス密度Pは、定量的にはポインティングベクトルSの 1/c ²倍、つまりP = S /c ²であり、c は光速である。^{[要出典]反作用質量に依存しない}場推進法は、したがって、宇宙船の近傍に存在する電磁波などの運動量担持場に結合することによって、この事実を利用しなければならない。しかし、これらの現象の多くは本質的に拡散するため、対応する推進構造は比例して大きくなければならない。^[要出典]

ソーラーセイルのコンセプトは電磁エネルギーからの放射圧に依存していますが、効果的に機能するためには大きな集光面が必要です。^[71] Eセイルは、電荷を保持する非常に細くて軽量なワイヤーを使用して粒子を偏向させることを提案しており、これにより方向性をより制御できるようになります。^[要出典]

磁気セイルは磁場を使って太陽風から荷電粒子を偏向させ、宇宙船に運動量を与えます。 ^[72]例えば、いわゆるマグセイルは、太陽風の加速/減速と星間物質での減速のために提案された大型の超伝導ループです。^[73]その変形として、ミニ磁気圏プラズマ推進システム^[74]とその後継の磁気プラズマセイル^[75]があり、これは低速でプラズマを注入して磁場を強化し、プラズマ風内の荷電粒子をより効果的に偏向させます。

日本は2010年5月にソーラーセイル動力宇宙船IKAROSを打ち上げ、推進と誘導の実証に成功した（現在も稼働中）。^{[いつ？ ] [要出典]}ソーラーセイルコンセプトのさらなる証明として、 NanoSail-Dは地球を周回した最初のソーラーセイル動力衛星となった。^[76] 2017年8月現在、NASAは、Sunjammerソーラーセイルプロジェクトが2014年に終了し、将来の宇宙セイルプロジェクトのための教訓が得られたことを確認した。^[77]英国のCubesailプログラムは、低地球軌道でソーラーセイルを実証する最初のミッションであり、ソーラーセイルの完全な3軸姿勢制御を実証する最初のミッションとなる。^[78]

重力スリングショットの概念は、反作用質量を犠牲にすることなく宇宙探査機を他の目的地まで運ぶための推進力の一種であり、他の天体の重力エネルギーを利用することで宇宙船は運動エネルギーを得ることができる。 ^{[79]しかし、ロケットを}オーベルト効果によって使用すれば、重力アシストからより多くのエネルギーを得ることができる。

テザー推進システムは、引張強度の高い長いケーブルを使用して、惑星の磁場との相互作用や他の物体との運動量交換などにより宇宙船の軌道を変更します。^[80]

ビーム駆動推進は反作用質量のない推進方法の1つであり、レーザー、マイクロ波、粒子ビームによって推進される帆が含まれます。^[81]

先進的で、場合によっては理論的な推進技術は、化学物理学または非化学物理学を使用して推力を生み出すが、一般的に技術的成熟度が低く、克服されていない課題があると考えられている。^[82]有人探査とロボット探査の両方において、太陽系を横断することは時間と距離との闘いである。最も遠い惑星は太陽から45〜60億キロメートル離れており、合理的な時間内に到達するには、従来の化学ロケットよりもはるかに高性能な推進システムが必要である。柔軟な打ち上げ日を持つ太陽系内ミッションは困難であり、今日の最新技術を超えた推進システムが必要である。より効率的な宇宙推進技術が開発され、実用化されない限り、地球を超えて月、火星、または地球近傍天体などの目的地への継続的な人類探査をサポートするために必要なロジスティクス、したがってシステム全体の質量は困難である。^{[83] [84]}

宇宙の特性、特に慣性系と真空状態 についてのより深い理解を必要とする、さまざまな仮説的な推進技術が検討されてきた。そのような方法は非常に推測的であり、次のようなものがある: ^[要出典]

NASAのブレークスルー推進物理学プログラムの評価では、そのような提案を推進目的には実行不可能なもの、可能性が不確かなもの、現在の理論では不可能ではないものに分類しています。^[85]

以下は、より一般的で実績のある技術と、それに続く推測的な方法の概要です。4つの数値が示されています。最初の数値は有効排気速度です。これは、推進剤が車両から排出される速度に相当します。これは必ずしも推進方法の最も重要な特性ではありません。推力や消費電力、その他の要因が重要な場合があります。ただし、

• デルタvが排気速度よりもはるかに大きい場合、法外な量の燃料が必要になります（上記の計算のセクションを参照）^{[誰によると？ ]}そして
• それがデルタ v よりはるかに大きい場合、比例してより多くのエネルギーが必要になります。太陽エネルギーのように電力が限られている場合、これは移動に比例して長い時間がかかることを意味します。^{[誰によると? ]}

2 番目と 3 番目は、この方法の典型的な推力量と典型的な燃焼時間です。重力ポテンシャル外では、物体が重力の影響をあまり受けない場合、長期間にわたって少量の推力を適用すると、短期間に大量の推力を適用するのと同じ効果が得られます。^{[引用が必要]} 4 番目は、段階なしでこの技術が提供できる最大デルタ v です。ロケットのような推進システムの場合、これは質量分率と排気速度の関数です。ロケットのようなシステムの質量分率は通常、推進システムの重量とタンクの重量によって制限されます。^{[引用が必要]}この制限を達成するには、ペイロードが車両のごくわずかな割合である必要がある場合があり、そのため、一部のシステムでは実際の制限がはるかに低くなる可能性があります。^{[引用が必要]}

表の注釈

軌道投入コストを大幅に削減できる可能性のある打ち上げ支援メカニズムについては、これまでに多くのアイデアが提案されてきた。ロケット以外の宇宙打ち上げ支援メカニズムとして提案されているものには、以下のものがある。^{[109] [110]}

• スカイフック（再利用可能な弾道ロケットが必要、現在入手可能な材料では実現不可能）
• 宇宙エレベーター（地球表面から静止軌道までをつなぐもの、既存の資材では建造できない）
• 発射ループ（高さ約 80 km の非常に高速な密閉型回転ループ）
• 宇宙噴水（土台から噴出される大量の物質の流れによって支えられた非常に高い建物）
• 軌道リング（ベアリングからスポークが垂れ下がっている地球の周りのリング）
• 電磁カタパルト（レールガン、コイルガン）（電動ガン）
• ロケットそり打ち上げ
• 宇宙銃（HARP計画、ラム加速器）（化学動力銃）
• 地上からビームを介して動力を得るビーム駆動式ロケットおよびジェット推進機
• 初期段階を支援する高高度プラットフォーム

研究によると、ラムジェットやターボジェットなどの従来の空気吸入エンジンは基本的に重すぎる（推力/重量比が低すぎる）ため、打ち上げロケットに搭載しても大幅な性能向上は見込めない。^[要出典]ただし、打ち上げロケットは、そのような推進システムを使用する別のリフトビークル（例：B-29、ペガサスロケット、ホワイトナイト）から空中発射することができる。発射レールに搭載されたジェットエンジンも同様に使用できる。^[要出典]

一方、上昇中の空気を利用する非常に軽量または非常に高速なエンジンも提案されています。

• SABRE – プレクーラーを備えた軽量水素燃料ターボジェット^[104]
• ATREX – 予冷装置を備えた軽量水素燃料ターボジェット^[111]
• 液体空気サイクルエンジン- ロケットエンジンで燃焼する前に空気を液化する水素燃料ジェットエンジン
• スクラムジェット– 超音速燃焼を利用するジェットエンジン
• スクラムジェット– スクラムジェット エンジンに似ていますが、航空機の燃焼室で発生する衝撃波を利用して全体的な効率を高めます。

通常のロケット打ち上げ機は、ほぼ垂直に飛行し、高度数十キロメートルで横転してから軌道に向けて横向きに燃焼します。この最初の垂直上昇で燃料が無駄になりますが、空気抵抗を大幅に減らすため最適です。空気呼吸エンジンは燃料をはるかに効率的に燃焼するため、はるかに平坦な打ち上げ軌道が可能になります。機体は通常、大気圏を離れるまで地球の表面に対してほぼ接線方向に飛行し、その後ロケット燃焼を行って最終的なデルタ v を軌道速度に橋渡しします。

すでに超低軌道にある宇宙船の場合、空気呼吸電気推進は上層大気の残留ガスを推進剤として使用することができます。空気呼吸電気推進は、地球、火星、金星での長期低軌道ミッションの新しいクラスを実現する可能性があります。^{[112] [113]}

宇宙船が目的の惑星の周回軌道に入るとき、または着陸するときは、速度を調整する必要があります。^[114]これは、上記のいずれかの方法（十分な推力を生成できる場合）を使用して行うことができますが、惑星の大気や表面を利用できる方法もあります。

• エアロブレーキングにより、宇宙船は軌道の低地点で大気圏に繰り返し接触することで楕円軌道の高地点を下げることができる^[115]。楕円軌道に入るのに必要なデルタVは低い円軌道に入るのに比べてはるかに少ないため、かなりの量の燃料を節約できる。ブレーキングは多くの軌道にわたって行われるため、加熱は比較的少なく、熱シールドは不要である。これは、マーズ・グローバル・サーベイヤー、2001マーズ・オデッセイ、マーズ・リコネッサンス・オービターなどのいくつかの火星ミッションと、少なくとも1つの金星ミッションであるマゼランで実施されている。
• エアロキャプチャーは、はるかに積極的な操作で、1回の通過で、入ってくる双曲軌道を楕円軌道に変換する。これには、大気圏を1回通過する必要があり、エアロブレーキングとは異なり、大気圏を事前に確認することはできないため、耐熱シールドとより制御されたナビゲーションが必要となる。軌道上に留まるつもりであれば、エアロキャプチャー後に少なくとももう1回の推進操作が必要である。そうしないと、結果として生じる軌道の最低点が大気圏に留まり、最終的に再突入することになる。エアロキャプチャーは、まだ惑星探査ミッションでは試されていないが、ゾンド6号とゾンド7号による月面帰還時の再突入スキップは、双曲軌道を楕円軌道に変換したため、エアロキャプチャー操作であった。これらのミッションでは、エアロキャプチャー後に近地点を上げる試みが行われなかったため、結果として生じる軌道は依然として大気圏と交差し、再突入は次の近地点で発生した。
• バルートは膨張式の牽引装置である。^[116]
• パラシュートは、通常、熱シールドを使用して大気が速度の大部分を洗い流した後、大気のある惑星または衛星に探査機を着陸させることができます。
• エアバッグは最終的な着陸を和らげることができます。
• リソブレーキング、つまり表面に衝突して停止することは、通常、偶然に起こります。しかし、探査機が生き残ることが期待される場合、意図的に行われることもあり（ディープインパクト宇宙船を参照）、その場合、非常に頑丈な探査機が必要になります。

技術開発により、推力レベル、比推力、出力、比質量（または比出力）、体積、システム質量、システムの複雑さ、運用の複雑さ、他の宇宙船システムとの共通性、製造可能性、耐久性、およびコストを改善する技術的ソリューションが生まれます。これらの種類の改善により、移動時間の短縮、ペイロード質量の増加、宇宙船の安全性の向上、およびコストの削減が実現します。場合によっては、この技術分野での技術開発により、宇宙探査に革命をもたらすミッションを可能にするブレークスルーがもたらされます。すべてのミッションやミッションタイプにメリットをもたらす単一の推進技術はありません。宇宙での推進の要件は、意図された用途によって大きく異なります。^{[4] [3]}

コスト、質量、移動時間を削減することで短期および中期の科学ミッションに役立てることを目的とした主要な推進技術の開発に注力している機関の 1 つが、グレン研究センター(GRC) です。^[要出典] イオンスラスタやホールスラスタなどの電気推進アーキテクチャは、GRC にとって特に興味深いものです。^[要出典]あるシステムでは、推進エネルギーとして自然発生する星の光を利用する推進剤不要の推進方式であるソーラーセイルとホールスラスタを組み合わせています。開発中のその他の推進技術には、高度な化学推進とエアロキャプチャがあります。^{[3] [117] [118]}

「ミッション プル」という用語は、計画されている NASA ミッション要件を満たすために必要な技術またはパフォーマンス特性を定義します。技術とミッション間のその他の関係 (代替推進システムなど) は、「技術プッシュ」に分類されます。また、宇宙デモンストレーションは、特定の技術または重要な技術サブシステムの縮小版の宇宙飛行を指します。一方、宇宙検証は、将来のミッション実装の資格飛行として機能します。検証飛行が成功すれば、科学または探査ミッションに採用される前に、特定の技術の追加の宇宙テストは必要ありません。^[4]

宇宙船の推進システムは、多くの場合、最初に地球の表面、大気圏内で静的にテストされますが、多くのシステムでは、完全なテストを行うために真空チャンバーが必要です。^[119]ロケットは通常、安全上の理由から、居住地やその他の建物から離れたロケットエンジンテスト施設でテストされます。イオンドライブははるかに危険性が低く、安全性に対する厳格な要件もそれほど厳しくないため、通常は適度な大きさの真空チャンバーのみが必要です。^{[要出典]エンジンの静的点火は}地上のテスト施設で行われ、地上で十分にテストできず、打ち上げが必要なシステムは、発射場で採用されることがあります。

SFでは、宇宙船はさまざまな手段を使って移動するが、その中には科学的に妥当なもの（ソーラーセイルやラムジェットなど）もあれば、ほとんどあるいは完全に架空のもの（反重力、ワープドライブ、スピンディズィー、ハイパースペース旅行など）もある。^{[120] ：8、69–77  [121] ：142}

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• 宇宙飛行の推進力 - グレッグ・ゲーベルによる詳細な調査、パブリックドメイン
• ジョンズ・ホプキンス大学化学推進情報分析センター
• 液体ロケットエンジン熱力学解析ツール
• スミソニアン国立航空宇宙博物館の「How Things Fly」ウェブサイト
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• Atomic Rocket – エンジン: 現実、理論、空想の宇宙エンジンをリストし、詳細を説明するサイト。