準軌道宇宙飛行

ブラックブラントIX観測ロケットの準軌道宇宙飛行の映像

準軌道宇宙飛行とは、宇宙船が宇宙空間に到達するものの、その軌道が打ち上げられた重力天体の表面と交差する宇宙飛行のことである。そのため、軌道を一周することも、人工衛星になることも、脱出速度に達することもない。

例えば、地球から打ち上げられた物体がカルマン線（海抜約83km～100km ）に達し、その後地球^に落下する軌道は、準軌道宇宙飛行とみなされます。準軌道飛行の中には、後に軌道宇宙飛行を目的とした宇宙船や打ち上げロケットの試験のために行われたものもあります。^また、準軌道飛行専用^に設計された乗り物もあり、例えばX-15やスペースシップツーなどの有人機や、 ICBMや観測ロケットなどの無人機などがあります。

低地球軌道に到達するのに十分な速度に達した後、最初の完全な軌道周回を完了する前に軌道から離脱する飛行は、準軌道飛行とはみなされません。その例としては、部分軌道爆撃システム（Fractional Orbital Bombardment System）の飛行が挙げられます。

宇宙空間に到達しない飛行は、準軌道飛行と呼ばれることもありますが、公式には「準軌道宇宙飛行」とは分類されません。通常はロケットが使用されますが、宇宙砲を使用して実験的な準軌道宇宙飛行が達成された例もあります。^{[ 3 ]}

高度要件

定義上、準軌道宇宙飛行は海抜100 km (62マイル)を超える高度に到達します。この高度はカルマン線として知られており、国際航空連盟によって選ばれました。これは、地球の大気からの空力揚力で自重を支えるのに十分な速度で飛行する乗り物が、軌道速度よりも速く飛行するおおよその地点だからです。^[⁴^]米国軍とNASA は50マイル (80 km)を超える高度を飛行する者に宇宙飛行士の翼を授与しますが、^[⁵^]米国国務省は大気圏内飛行と宇宙飛行の間に明確な境界線を示していません。^[⁶^]

軌道

自由落下中、軌道は軌道方程式で示される楕円軌道の一部となる。近地点距離は地球の半径R（大気を含む）よりも小さいため、楕円は地球と交差し、宇宙船は軌道を一周できない。長軸は垂直で、半長軸aはR /2より大きい。比軌道エネルギー $\epsilon$ 次のように与えられます。

$\varepsilon =-{\mu \over {2a}}>-{\mu \over {R}}\,\!$

どこ $\mu \,\!$ は標準重力パラメータです。

ほとんどの場合、a < R であり、これはより低い値に対応する。 $\epsilon$ 完全な軌道に必要な最小値よりも、 $-{\mu \over {2R}}\,\!$

したがって、宇宙船を宇宙に打ち上げるだけの場合と比較して必要な正味の追加比エネルギーは0から $\mu \over {2R}\,\!$ 。

速度、航続距離、高度

必要なデルタV（必要な燃料量を大きく左右する宇宙力学的指標）を最小限に抑えるため、飛行の高高度部分はロケットを停止した状態で行われます（これは軌道の上昇部分であっても、技術的には自由落下と呼ばれます）。（オーベルト効果と比較してください。）飛行中の最大速度は、この自由落下軌道の最低高度で、開始時と終了時の両方で達成されます。

例えばアンサリXプライズへの参加など、単に「宇宙へ到達する」ことが目標であれば、水平方向の運動は必要ありません。この場合、高度100kmに到達するために必要な最低速度変化量（デルタV）は約1.4km /sです。自由落下距離が短くなるため、速度を落とせばより大きなデルタVが必要になります。

これを軌道宇宙飛行と比較してみましょう。高度約300kmの低地球軌道（LEO）に到達するには、約7.7km /sの速度が必要で、デルタVは約9.2km /sとなります。（大気抵抗がない場合、南極のような静止地点から出発して高度300kmの軌道に宇宙船を投入するための理論上の最小デルタVは8.1km/sです。赤道付近から東向きに打ち上げる場合は、理論上の最小デルタVは最大0.46km /s低くなる可能性があります。）

水平距離を移動する準軌道宇宙飛行の場合、最大速度と必要なデルタVは、垂直飛行とLEOの中間になります。軌道の下端での最大速度は、水平成分と垂直成分で構成されます。水平距離が長くなるほど、水平速度は大きくなります。（垂直速度は、短い距離では距離とともに増加しますが、長い距離では距離とともに減少します。）宇宙に到達したばかりで、射程が約330kmのV-2ロケットの最大速度は1.6km /sでした。開発中のScaled Composites SpaceShipTwoは同様の自由落下軌道になりますが、発表されている最大速度は1.1km /sです（おそらく、より高い高度でエンジンが停止するため）。

より広い範囲では、楕円軌道のため、最大高度は低軌道の場合よりもはるかに高くなる可能性があります。大陸間弾道ミサイルや将来の商業宇宙飛行など、10,000 キロメートルの大陸間飛行では、最大速度は約 7 km/s で、最大高度は 1300 km を超える可能性があります。準軌道飛行を含む、地表に戻る宇宙飛行はすべて大気圏再突入を経験します。再突入開始時の速度は基本的に飛行の最大速度です。発生する空力加熱はそれに応じて変化し、最大速度が 7 km/s または 8 km/s の飛行よりも、最大速度が 1 km/s の飛行の方がはるかに小さくなります。

与えられた範囲における最小デルタvとそれに対応する最大高度dは、円周が球状の地球を仮定して計算できる。40 000 kmで、地球の自転と大気を無視します。θ を、発射体が地球の周りを回る角度の半分とすると、度数では 45°× d /10,000 km 。最小デルタv軌道は、一方の焦点が地球の中心にあり、もう一方の焦点が発射地点と目的地の中間点（地球内部のどこか）にある楕円に対応します。（これは、軌道上の点から2つの焦点までの距離の合計に等しい長半径を最小化する軌道です。長半径を最小化することで、比軌道エネルギー、ひいては発射速度であるデルタvが最小化されます。）幾何学的考察から、次の式が得られます（Rは地球の半径で、約6370 kmです）。

$長軸 = (1 + sin θ)R$

${\text{短軸}}=R{\sqrt {2\left(\sin \theta +\sin ^{2}\theta \right)}}={\sqrt {R\sin(\theta ){\text{長軸}}}}$

$地球の中心から遠地点までの距離 = R/2 (1 + sin θ + cos θ)$

${\text{地表からの遠地点高度}}=\left({\frac {\sin \theta }{2}}-\sin ^{2}{\frac {\theta }{2}}\right)R=\left({\frac {1}{\sqrt {2}}}\sin \left(\theta +{\frac {\pi }{4}}\right)-{\frac {1}{2}}\right)R$

地球を4分の1周する軌道では、遠地点の高度が最大になります（約1320 km）。10,000 km ）。より長い距離では、最小デルタV解における遠地点が低くなります。

$発射時の比運動エネルギー = μ/R - μ/R = μ/R / 1 + sin θ$

$\Delta v={\text{発射時の速度}}={\sqrt {2{\frac {\mu }{R}}{\frac {\sin \theta }{1+\sin \theta }}}}={\sqrt {2gR{\frac {\sin \theta }{1+\sin \theta }}}}$

（ここでgは地球表面における重力加速度である）。Δvは距離とともに増加し、距離が近づくにつれて7.9 km/sで横ばいになる。20,000 km （地球の半周）。地球の半周に必要な最小デルタV軌道は、地表直上の円軌道に相当します（もちろん、実際には大気圏上空を飛行する必要があります）。飛行時間については下記を参照してください。

大陸間弾道ミサイルは、少なくとも5500km 離れた目標に命中できるミサイルと定義され、上記の式によれば、これには6.1km /sの初速が必要です。地球上の任意の地点に到達するために速度を7.9km /sまで上げるには、必要な燃料の量がデルタVに比例して指数関数的に増加するため、かなり大きなミサイルが必要になります（ロケット方程式を参照）。

最小デルタv軌道の初期方向は、真上と目的地（地平線の下にある）への真向かいの中間を向いています。ただし、これは地球の自転を無視した場合の話です。打ち上げが極で行われない限り、自転する惑星では厳密には当てはまりません。^{[ 7 ]}

飛行時間

高度がそれほど高くない垂直飛行では、自由落下時間は上昇時と下降時ともに最大速度を重力加速度で割った値となるため、最大速度が1 km/sの場合、合計で3分20秒となる。自由落下前後の飛行段階の持続時間は変動する可能性がある。

大陸間飛行の場合、加速段階は3～5分、自由落下（中間段階）は約25分かかります。ICBMの場合、大気圏再突入段階は約2分かかりますが、将来の商業飛行など、軟着陸の場合はさらに長くなります。SpaceXの「スターシップ」の試験飛行4では、テキサスからの打ち上げ後、66分後にインド洋に模擬軟着陸するという、このような飛行が行われました。

準軌道飛行は数秒から数日間続くことがあります。パイオニア1号はNASA初の宇宙探査機で、月に到達することを目的としていました。部分的な故障により、代わりに準軌道をたどり、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。^{[ 8 ]}

ケプラーの第三法則に従って、最小デルタV軌道の飛行時間を計算すると、軌道全体（地球を通過しない場合）の周期は次のようになります。

$周期 = (軌道長半径) / R 3/2 × 低地球軌道の周期 = (1 + sin θ / 2) / 2 π√R/g$

ケプラーの第二法則を用いて、地球の中心から発射体までの線が掃過する楕円の面積の割合をこれに掛け合わせます。

$面積比 = 1/π arcsin √2 + 2cos θ/π (長軸)(短軸)$

${\begin{aligned}{\text{飛行時間}}&=\left(\left({\frac {1+\sin \theta }{2}}\right)^{\frac {3}{2}}\arcsin {\sqrt {\frac {2\sin \theta }{1+\sin \theta }}}+{\frac {1}{2}}\cos \theta {\sqrt {\sin \theta }}\right)2{\sqrt {\frac {R}{g}}}\\&=\left(\left({\frac {1+\sin \theta }{2}}\right)^{\frac {3}{2}}\arccos {\frac {\cos \theta }{1+\sin \theta }}+{\frac {1}{2}}\cos \theta {\sqrt {\sin \theta }}\right)2{\sqrt {\frac {R}{g}}}\\\end{aligned}}$

これにより、地球の4分の1周に約32分、半周に約42分かかることがわかります。短い距離の場合、この式は漸近的に次のようになります。 ${\sqrt {2d/g}}$ 。

逆余弦を含む形式から、飛行時間のd （またはθ）に関する導関数は、 dがに近づくにつれてゼロになる。20,000 km (地球の半周)。Δ vの導関数もここでゼロになります。したがって、 d =19,000 km の場合、最小デルタ v 軌道の長さは約19 500 kmだが、 d =の軌道よりもほんの数秒短い時間しかかからない。20,000 km (その軌道は全長2万キロメートル）。

飛行プロファイル

1961年に行われたアメリカ初の有人準軌道飛行の断面図。打ち上げロケットが宇宙船を上昇させ、最初の2分22秒を飛行する。点線は無重力状態を示す。

準軌道飛行のプロファイルには非常に多くの種類があるが、その中でも特に一般的なものもあれば、そうでないものもあると予想される。

X-15（1958年～1968年）は、 B-52 母機によって高度13.7kmまで打ち上げられ、その後約100kmまで上昇し、地上へ滑空した。

弾道ミサイル

宇宙に到達した最初の準軌道機は弾道ミサイルでした。宇宙に到達した最初の弾道ミサイルは、1942年10月3日にペーネミュンデの科学者によって開発されたドイツのV-2で、高度53マイル（85km ）に達しました。^[⁹^]その後、1940年代後半に米国とソ連は、すべてV-2ロケットをベースにしたミサイルを同時開発し、その後、はるかに射程の長い大陸間弾道ミサイル（ICBM）を開発しました。現在、ICBMを保有する国は多く、射程の短い中距離弾道ミサイル（IRBM）を保有する国はさらに多くあります。

観光フライト

準軌道観光飛行は、当初は宇宙空間に到達したとみなされる高度に到達することに重点が置かれる。飛行経路は垂直か非常に急勾配で、宇宙船は離陸地点に帰還着陸する。

宇宙船は最高高度に達するかなり前にエンジンを停止し、その後、最高地点まで惰性で上昇します。エンジンが停止してから大気の影響で下降加速度が減速し始めるまでの数分間、乗客は無重力状態を体験します。

メガロックは、1940年代に英国惑星間協会によって準軌道宇宙飛行用に計画された。 ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}

1945年後半、ソ連のNII-4アカデミー（ロケット砲科学技術専門）のM.ティホンラヴォフK.とNGチェルニシェワが率いるグループは、鹵獲したV-2ロケットを使用して2人のパイロットによる垂直飛行で高度200km （65,000フィート）に到達することを目的とした成層圏ロケット計画VR-190に着手した。^[¹²^]

2004年、多くの企業がアンサリXプライズ・コンペティションへの参加企業として、このクラスの宇宙船の開発に取り組んだ。スケールド・コンポジッツ社のスペースシップワンは、2週間以内に2回の飛行を完了した後、2004年10月4日にリック・シーフォスによって正式にコンペティションの優勝者として宣言された。

2005年、ヴァージン・グループのリチャード・ブランソン卿は、ヴァージン・ギャラクティックの設立と、9人乗りのスペースシップツー「VSS エンタープライズ」の計画を発表した。その後、8人乗り（パイロット1人、副操縦士1人、乗客6人）のスペースシップツーが完成し、係留飛行試験や、最初の母船「ホワイトナイトツー」または「VMS イヴ」との飛行試験に参加した。また、可動式の尾部を固定状態と「フェザリング」状態の両方で単独滑空も完了した。ハイブリッドロケットモーターは、地上試験台で複数回点火され、2013年9月5日に動力飛行で2回目の点火が行われた。^[¹³^]スペースシップツー4機が追加発注され、新しいスペースポート・アメリカから運用される予定である。乗客を乗せた商業飛行は2014年に予定されていたが、 SS2 PF04飛行中の事故により中止となった。ブランソン氏は、「我々は何がうまくいかなかったのかを学び、安全性とパフォーマンスをどのように改善できるかを見つけ出し、そして共に前進していく」と述べた。^[¹⁴^]

科学実験

今日、準軌道機の主な用途は科学観測ロケットとしてです。科学的な準軌道飛行は、1920年代にロバート・H・ゴダードが最初の液体燃料ロケットを打ち上げたことから始まりましたが、宇宙高度には達しませんでした。1940年代後半には、鹵獲したドイツのV-2弾道ミサイルが V-2観測ロケットに改造され、現代の観測ロケットの基礎を築くのに役立ちました。^{[ 15 ]}現在、さまざまな国のさまざまな供給業者から数十種類の異なる観測ロケットが市場に出回っています。通常、研究者は微小重力または大気圏外で実験を行いたいと考えています。

準軌道輸送

X-20ダイナソア計画などで行われた研究によると、準弾道的な準軌道飛行であれば、ヨーロッパから北アメリカまで1時間以内に到達できる可能性がある。

しかし、これを実現するために必要なロケットのサイズは、ペイロードに対してICBMとほぼ同じである。ICBMのデルタVは軌道投入時よりもやや小さいため、軌道投入コストよりもやや安価になるが、その差は大きくない。^{[ 16 ]}

宇宙飛行のコストが高いため、準軌道飛行は当初、宅配便、軍事的な迅速対応作戦、宇宙旅行など、高価で非常に緊急性の高い貨物輸送に限定される可能性が高い。

スペースライナーは、オーストラリアからヨーロッパまで90分で50人の乗客を、またはヨーロッパからカリフォルニアまで60分で100人の乗客を輸送できる極超音速準軌道宇宙飛行機のコンセプトです。 ^[¹⁷^]主な課題は、日常的な旅客輸送に使用できるように、さまざまなコンポーネント、特にエンジンの信頼性を向上させることです。

SpaceXは、スターシップを準軌道ポイントツーポイント輸送システムとして使用することを検討している可能性がある。 ^{[ 18 ]}

注目すべき無人準軌道宇宙飛行

最初の準軌道宇宙飛行は1944年6月20日に行われ、ドイツのペーネミュンデからV-2試験ロケットMW 18014が打ち上げられ、高度176キロメートルに到達した。^[¹⁹^]
バンパー5は、ホワイトサンズ試験場から打ち上げられた2段式ロケットである。1949年2月24日、上段は高度248マイル（399km ）、速度7,553フィート/秒（2,302m /秒、マッハ6.8）に達した。^[²⁰^]
アルバート2世という名のオスのアカゲザルは、1949年6月14日、ニューメキシコ州のホロマン空軍基地からアメリカの V-2観測ロケットに搭乗し、高度83マイル（134km ）までの準軌道飛行を行い、宇宙に行った最初の哺乳類となった。
ソ連 –エネルギア、1987年5月15日、軌道投入に失敗したポリウス社のペイロード
SpaceX IFT-7は、2025年1月16日に打ち上げられたスターシップの飛行試験機で、上昇中に爆発し、航空機は落下する破片を避けるために進路を変更せざるを得なくなり、イーロン・マスクの主力ロケット計画を遅らせた。^{[ 21 ]}^{[ 22 ]}地上での被害も多数報告された。^{[ 23 ]}これは、現在までに準軌道に打ち上げられた物体の中で最も質量が大きい。

有人準軌道宇宙飛行

標高100km （62.14マイル）以上。 ^[^a^]

有人垂直離着陸準軌道飛行

有人ロケット飛行のほとんどは、軌道宇宙飛行か、水平に打ち上げられるロケット推進航空機の飛行でした。ニューシェパードの初打ち上げ以前は、垂直に打ち上げられる有人準軌道飛行は稀で、多くの場合、軌道宇宙飛行用の有人ロケットの失敗の結果として行われていました。以下のリストは、すべての有人垂直打ち上げ準軌道ロケット飛行を示しています。

有人準軌道宇宙飛行の未来

ヴァージン・ギャラクティック、アルマジロ・エアロスペース（エクソス・エアロスペースとして再出発）、エアバス^{[ 24 ]} 、ブルー・オリジン、マステン・スペース・システムズなどの民間企業は、アンサリXプライズなどのベンチャー事業の影響もあり、準軌道宇宙飛行に関心を示している。NASAなどは、準軌道宇宙飛行に該当する飛行プロファイルで使用される可能性のあるスクラムジェットベースの極超音速航空機の実験を行っている。ARCASPACEやコペンハーゲン・サブオービタルズなどの非営利団体もロケットベースの打ち上げを試みている。