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2段式軌道投入ロケット（TSTO）とは、軌道速度を達成するために2つの異なる段が連続して推進力を提供する打ち上げロケットのことである。これは、3段式軌道投入ロケットと仮想的な1段式軌道投入ロケット（SSTO）の中間に位置する。
打ち上げ時、第1段は機体を加速させる役割を担います。その後、第2段は第1段から分離し、自力で軌道周回を続けます。
これらのシステムは、他の2つの代替案に比べて利点があります。単一ステージで軌道投入する機体とは異なり、乾燥質量の大部分は軌道上に持ち込まれません。これにより、軌道投入質量のうち「デッドウェイト」ではなくペイロードとなる割合が大きくなり、打ち上げコストが削減されます。[ 1 ]同時に、多段式システムよりも構造が単純で分離イベントも少ないため、コストと故障リスクが低減されます。[ 2 ]
打ち上げ時にストラップオンブースターロケットを使用するため、車両がTSTOであるかどうかは必ずしも明確ではありません。これらは飛行の早い段階で切り離され、コアエンジンが燃焼を続ける場合は追加ステージとみなされる場合とみなされない場合があります。これらは半ステージとみなされる場合があり、その結果、ロングマーチ5B [ 3 ]やアトラスミサイル[ 4 ] [ 5 ]のように、追加ブースターを備えた単一のコアステージの場合、1.5段軌道投入（1.5STO）という表現が使われます。同様に、追加ブースターを備えた2段設計は、アリアン5やほとんどのアトラスV派生型（ 401と501を除くすべて）のように、2.5段ロケットと呼ばれることがあります。
再利用可能な打ち上げシステムに関して、このアプローチは単段式軌道投入機（SSTO ）の代替案としてしばしば提案される。支持者たちは、各段の質量比がSSTO打ち上げシステムよりも低いため、このようなシステムは構造材料の限界からより離れた設計が可能になると主張する。2段式設計は、メンテナンスや試験の回数が少なく、故障も少なく、耐用年数が長くなるはずだと主張されている。さらに、2段式アプローチでは、下段を圧力と抗力が高い地球の下層大気での運用に最適化し、上段を打ち上げ後半のほぼ真空状態の運用に最適化することができる。これにより、同じハードウェアを使用して両方の環境で動作する必要がある単段式または1.5段式ロケットに比べて、2段式ロケットのペイロード質量比を増加させることが可能となる。
批評家たちは、相互作用する必要のある2つの独立したステージの設計の複雑さの増加、第1ステージを打ち上げ場所に戻すためのロジスティクス、および第2ステージの段階的なテストの実施の難しさが、これらの利点を上回ると主張している。飛行機のような下段の場合、彼らはまた、 SR-71のような高速航空機の開発と運用がいかに困難で費用がかかるかを主張し、性能に関する主張に疑問を呈している。輸送機を第1ステージとして使用する多くの「ミニシャトル」設計も、燃料用の大型外部タンクを搭載する必要があるため、スペースシャトルと同様に氷/フォームの問題に直面している。
2023年現在、SpaceXとNASAは、SpaceXの2段式ファルコン9と2.5段式ファルコンヘビー、そしてNASAのスペースシャトル固体ロケットブースターを用いて、軌道投入機の第1段再利用を実現した唯一の打ち上げ事業者である。ロケットラボはエレクトロンロケットの第1段を複数回収しているが、それらを再び飛行させたことはない。
航空機のような運用が航空機のような外観に結びつくわけではないという見解に基づき、再利用可能なTSTOコンセプトの中には、第1段をVTOL機またはVTOHL機として運用するものもある。DC -XはVTOLオプション設計の実現可能性を実証した。DH -1コンセプトのような他の設計では、さらに一歩進んで「ポップアップ/ポップアップダウン」方式を採用し、軌道上のステージを 地球表面から約60km上空まで運び、その後再び発射台に降下させる。DH-1の場合、上段はより現実的な質量比を持ち、信頼性を最適化した、実質的に「ほぼSSTO」と言える。
TSTO（二段式宇宙輸送機）の設計には、飛行機のような第1段とロケットのような第2段で構成されるものがある。飛行機の要素としては、翼、空気吸入式エンジン、あるいはその両方が挙げられる。この方式が魅力的なのは、地球の大気を障害物から利点へと変えることができるからである。一定の速度と高度を超えると、翼とスクラムジェットエンジンは効果を発揮しなくなり、ロケットが展開されて軌道投入までの道のりを完了する。
セインガー（宇宙船）は、この種の初期の構想の一つであった。
軌道投入機ではないものの、アンサリXプライズのために開発された民間の準軌道宇宙船スペースシップワンは、翼を持つ航空機を「下半分」とする2段式システムで宇宙の端に到達できることを実証した。スペースシップワンの開発チームは、この技術を基にした商業用準軌道打ち上げシステム、スペースシップツーを開発し、飛行に成功している。
ペガサスロケットは航空機から打ち上げられるが、ロケット自体が複数の段で構成されているため、2段式軌道投入システムではない。