宇宙飛行（うちゅうひこう、英語: Spaceflight）とは人工の構造物を宇宙空間で飛行させる宇宙技術である。
宇宙飛行技術は宇宙開発、宇宙旅行や通信衛星のような商業活動にも使用されている。宇宙飛行技術の非営利的な用途としては宇宙望遠鏡、偵察衛星、及びリモートセンシング衛星を含む。
宇宙飛行はロケット打ち上げで通常は始まる。当初の目的として、まずは地球の重力に打ち勝つために宇宙船を加速させて地球の表面から離れるためである。宇宙船の動き（推進中、非推進中（慣性移動中）の両方）は天体力学によって制御されている。いくつかの宇宙船体構造物は宇宙空間に無期限で残されたままとなっており、これらは大気圏再突入の際に崩壊するか、または他惑星に衝突するか、月着陸の際に放棄されたものは月への衝突の道を辿る。
宇宙飛行の現実的な提案はソビエト連邦のロケット研究者であったコンスタンチン・E・ツィオルコフスキーによってなされた。ツィオルコフスキーは1897年にツィオルコフスキーの公式を発表し、ロケット推進による公式を確立した。また、1903年には「反作用利用装置による宇宙探検」（ロシア語: Исследование мировых пространств реактивными приборами、 英語: The Exploration of Cosmic Space by Means of Reaction Devices）で液体水素と液体酸素を燃料とする流線型のロケットの設計図を発行したが、これらの理論的な研究はロシア以外では著名ではなかった。1920年代には多段式ロケットとジェットエンジンの理論を完成させ、世界で初めて宇宙ステーションを考案した[1]。
ロバート・ゴダードが1919年に発表した論文である「月飛行の可能性」で、宇宙飛行技術は工学分野の可能性へ移った。ゴダードが製作した世界初の液体燃料ロケットは1926年3月16日に打ち上げられ、2.5秒間で約12.5メートル（41フィート）上昇した。このロケットで使用されたラバル・ノズル（一旦直径が小さくなり、後に広がっていく、途中がくびれた形状のノズル）と液体燃料ロケット技術は後の宇宙飛行技術の重要人物となるヘルマン・オーベルト及びヴェルナー・フォン・ブラウンにとっての重要な鍵となった。
宇宙に到達した史上初のロケットはV2ロケットの原型であるA4ロケットである。1942年10月3日に行われた3回目の打上げでA4は宇宙空間に到達し、打ち上げ地点から192キロメートル先の地点に落下した。1957年10月4日にはソビエト連邦のスプートニク1号が打ち上げられ、世界初の人工衛星となった。この打ち上げによってスプートニク・ショックが引き起こされ、アメリカ合衆国は震撼した。1961年4月12日には世界初の有人宇宙飛行となるボストーク1号が打ち上げられ、ユーリ・ガガーリンが世界初の宇宙飛行士となった。
ロケットは現代まで有効な宇宙に到達する手段のひとつとして残されている。スクラムジェットエンジンなどの他の技術は地球重力圏を脱出する手段としてはまだ速度が足りず、実用にはほど遠
宇宙飛行の認定基準
最も一般的な宇宙の境目はカーマン・ラインを基準とする地上100キロメートル（62マイル）から上方を指す（アメリカ合衆国では地上80キロメートル（50マイル）以上の空間を宇宙と定義している）[3]。
地表から発射された人工飛翔体が地球を周回するためにはデルタ-V第一宇宙速度が必要とされるが、これは地球重力圏からの脱出速度である第二宇宙速度よりずっと低い[4]。
宇宙船が発射された後に船体を第一宇宙速度に到達させずに周回軌道に残すことは可能であり、また日常的に行われている。しかし燃料効率及び宇宙速度の維持を考慮して発射直後に最大限の加速を行っている。
弾道飛行 [編集]
弾道飛行の際に宇宙船は宇宙空間に達するが、速度が第一宇宙速度に到達しないので地球周回軌道には乗らない。代わりに、宇宙船は地上に降り始める。弾道飛行による飛行は何時間も続けることが出来る。パイオニア1号は月に到達することを意図したNASAの最初の宇宙探査機だった。1号（0号から3号までの4機）は探査に部分的に失敗し、発射から43時間後に大気圏に帰還する前に11万3,854キロメートル（7万746マイル）に達した[7]。
2004年5月17日に、民間宇宙飛行チームが「GoFast Rocket」を発射した。これは世界初の民間宇宙船の発射であった。2004年6月21日にはスペースシップワンが打ち上げられ、民間企業による有人宇宙飛行として世界で初めて高度約100キロメートルを超えた宇宙船、及び民間宇宙飛行士となった[8]。
地球周回軌道 [編集]
最低高度の地球周回軌道でも弾道飛行とは比べものにならないほどの宇宙速度（第一宇宙速度は秒速7.9キロメートル（マッハ23）、弾道飛行の速度マッハ3と比較すると約8倍）が必要とされるため、それを達成するためには高度な宇宙飛行技術が要求される。宇宙空間で安定した周回軌道に乗り続けるために、宇宙船の軌道速度は第一宇宙速度に到達していなければならない[9]。
直接到達 [編集]
周回軌道を達成するのは惑星間の航行に不可欠ではない（宇宙船は第二宇宙速度（脱出速度）に到達する必要はある）。初期のロシアの宇宙船は非常に高い高度を達成した。またNASAのアポロ計画では初期段階では月までの直接到達を考えていたが、後に重量面の問題が発生しこれを取りやめた。外惑星への多くの宇宙探査機は直接到達を選択し、地球周回軌道には入らない[10]。
しかし、今後の宇宙探査にはNASAのオリオンやロシアのクリーペル、パロムのように地球周回軌道上での宇宙船の組み立てが考慮されている[11][12][13]。クリーペルについては研究開発コストが2006年から2015年の間にロシア連邦宇宙局の予算を超えることが判明し、イギリスで2006年に開催されたファーンボロー国際航空ショーで「計画の一時中断、代わりの宇宙輸送機を段階的に製造する」と発表された[14]。これはその後2007年8月21日、ESAとの協同開発に切り替えられるとのロシア連邦宇宙局の公式発表があった。
その他の方法での宇宙到達 [編集]
ロケットを使用せずに宇宙に到達する方法がいくつも考案されている（軌道エレベータ、マスドライバーなど）が、その全ては現代ではまだ実現不可能である。電磁誘導を利用して物体を発射するローンチ・ループには知られている研究者が全くおらず開発は進んでいない。その他の考案としてはスカイロンがあり、スクラムジェットを利用して第一宇宙速度に到達しようとするものであるが実用化されていない。
発射台と射場、離陸 [編集]
発射台は宇宙船を移動するために設計された固定構造物である。一般的に発射台の構造は発射塔と発射炎を避けるための堀から構成される。これらは宇宙船を組み立て・整備・燃料注入する施設に囲まれる。アメリカの射場は翼のある宇宙船（スペースシャトル）の移動を容易にするための設計が為されており、長い滑走路を持つ。射場は主に騒音と安全面の理由から、一般人の居住地とは遠く離れた場所に建設されている。
発射は頻繁にある一定の打ち上げ時間帯に制限される。時間帯の制限は天体と軌道の位置関係によるもので、最も大きな影響として地球の自転が挙げられる。通常、目標となる軌道は地球の自転回転軸に対する固定角度で比較的平坦な飛行経路を取っている。そして、地球はこの軌道の中で回転しているからである。
再突入と着陸 / 着水 [編集]
再突入 [編集]
軌道上の宇宙船には大量の運動エネルギーがある。宇宙船が安全に大気圏内で蒸発せずに着陸するためにはこのエネルギーを捨てなければならない。通常、この過程にはエアロブレーキングが使用されるが、宇宙船を空力的加熱から守る特別な方法が必要となる。再突入の理論はハリー・ジュリアン・アレンが提唱した。この理論に基づき、宇宙船は鈍い形 (blunt shapes) で大気圏再突入を果たす。鈍い形となるには、宇宙船の運動エネルギーの1パーセントが大気との摩擦熱で達する熱エネルギーに変換されなければならない[17]。
着陸 / 着水 [編集]
マーキュリー計画、ジェミニ計画、アポロ計画のカプセルは全て海に着水した[18][19][20]。これらのカプセルは比較的遅い速度で着陸するように設計された。ロシアのソユーズは陸に着陸する[21]ために制動ロケットを使用する。スペースシャトルは高速で滑走路に着陸後滑走する。
回収
着陸に成功した宇宙船からは宇宙船、貨物、乗組員を回収出来る。いくつかの例では、宇宙船がまだパラシュートで降下しており着陸する前に特別な設計を施された航空機はこれを引っかけて空中回収出来た。コロナ偵察衛星でこれは実際に行われ、特別改修された航空機は衛星から投下されたカプセルを回収出来た[22]。
再利用出来ない発射システム [編集]
NASAのスペースシャトル以外の全ての現在の宇宙船及びSpaceX社のファルコン1は、宇宙に到達する際に多段式ロケットを使用する。これらは基本的に使い捨てとなる
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