衛星を打ち上げるとき、運搬ロケットは目標地点までまっすぐ進むわけではありません。なぜぐるぐる回ってしまうのでしょうか?推力が足りないのでしょうか？

中学校に通ったことのある人なら誰でも、2点間の直線部分が最も短いことを知っているはずです。しかし、世界中の宇宙打ち上げを見てみると、衛星の打ち上げであれ、有人宇宙船の打ち上げであれ、これらの宇宙船を宇宙に送り出す際には、運搬ロケットが方向を変えて旋回する必要があります。これはなぜでしょうか?ロケットの推力が足りないからでしょうか？

長征5号ロケットを例に挙げましょう。このロケットの推力により、14トンの宇宙船を静止トランスファー軌道に送り込むことができます。より質量の小さい衛星を打ち上げれば、地上からより遠い軌道に送ることができるようになることは間違いありません。しかし、なぜ宇宙打ち上げではほとんどこの「垂直上向き」打ち上げ方式が採用されないのでしょうか?

打ち上げミッションに関わらず、キャリアロケットの飛行軌道は基本的に下図のようになります。ロケットが地上から高高度まで上昇するにつれて、その軌道は途中で徐々に傾き、最終的には飛行軌道が地面とほぼ平行になり、私たちの視界から消えます。

宇宙船を垂直上方に打ち上げる場合、起こり得る結果は 3 つしかありません。

1. ロケットは、宇宙船が地球の重力から直接脱出し、その後他の天体の重力に捕らわれるまで飛行を続けるのに十分なパワーを持っています。宇宙船が地球の重力から逃れるには、最低でも秒速11.2キロメートルの初速度が必要です（これを第2宇宙速度と呼びます）。

2. もう一つの可能​​性は、宇宙船がラグランジュ点まで飛んで停止したということである。ラグランジュ点は、2 つの天体間の重力の平衡点です。理論上、任意の 2 つの天体の間には 5 つのラグランジュ点がありますが、通常、最も安定しているのは 2 つだけです。地球の近くでは、最も近い地球-月ラグランジュ点は 65,000 キロメートル離れていますが、最も近い地球-月ラグランジュ点は 150 万キロメートル離れています。

3. ロケットのパワーが足りず、宇宙船は地球の重力から逃れられない。地球の重力加速度の影響により、最終的には地面に落ちてしまいます。

ほとんどの場合、私たちは地球を周回する宇宙船を打ち上げます。この「垂直上向き一発打ち上げ方式」で宇宙船を打ち上げると、ロケットの推力が強力で一気に所定の軌道高度まで到達できたとしても、最終的には地球の重力の影響で落下してしまいます。

地球の重力の影響を克服するためには、宇宙船に接線速度を与えて遠心力を発生させ、地球の重力を相殺して宇宙船が地球の周りを円運動または楕円運動するようにする必要があります。そのため、ロケットは打ち上げ時に旋回する必要があり、ロケットの飛行軌道も円弧になります。なぜなら、このように飛行することによってのみ、宇宙船に接線速度を加えることができるからです。

実際、ロケットが宇宙船を一気に目的地まで送ることも可能です。ロケットによって接線速度が提供されない場合、宇宙船は接線速度を生成するために自身の力に頼らなければなりません。しかし、そうするには大量の燃料を積む必要があり、必然的に宇宙船の質量が増加します。宇宙船の質量が増加すると、打ち上げロケットの推力も大きくする必要があり、打ち上げロケットはより多くの燃料を消費する必要が出てきます。

もちろん、燃料を節約するためという理由もありますが、既存のロケットの推力は大きくなく、宇宙船を一気に高軌道に送り込むのが難しいためでもあります。たとえこれが実行できたとしても、費用対効果は高くないでしょう。

宇宙船は地球の上空を円を描いて地球の周りを回りますが、その軌道面は地球の中心を通らなければなりません。地球を周回する宇宙船の軌道には多くの種類があります。

軌道高度に応じて、低軌道（地球近傍軌道）、中軌道、高軌道に分けられます。高軌道と低軌道の間に厳密な区別はありません。一般的に高度1,000キロメートル未満のものを低軌道または低軌道と呼びます。

軌道高度が高くなるほど、宇宙船の移動速度は遅くなります。軌道が低く地面に近づくほど、必要な移動速度は速くなります。宇宙船が落下せずに海面近くまで飛行するには、その速度を秒速 7.9 キロメートル (第一宇宙速度) に上げなければなりません。これは、宇宙船が地球を周回するときに到達できる最高速度でもあります。

軌道高度が36,000キロメートルのとき、宇宙船の運用周期は地球の自転周期と同じになります。この軌道は静止軌道と呼ばれます。静止軌道の傾斜角がゼロの場合、宇宙船は地球の赤道に沿って正確に飛行します。この軌道は静止軌道（または地球静止軌道）と呼ばれ、静止軌道の特殊なケースであり、1 つしかありません。

軌道の傾斜に応じて、赤道軌道、極軌道、傾斜軌道に分けられます。このうち、赤道軌道の傾斜角は0度であり、軌道面は地球の赤道面と一致しています。極軌道の傾斜は90度で、軌道面は地球の赤道面に対して垂直であり、宇宙船は北極と南極の上空を飛行します。傾斜軌道の傾斜角は0度でも90度でもありません。

宇宙船が地球の自転方向に飛行する場合、順行運動と逆行運動に分けられます。

ロケットの推力不足に対処し、経済的要因を考慮すると、現在、ほとんどの宇宙船はまず低地球遷移軌道に打ち上げられ、その後、宇宙船自身の動力を使用して、徐々に中軌道または高軌道に軌道を変更します。宇宙船を地上から 36,000 キロメートル離れた静止軌道または対地静止軌道に送りたい場合、まず宇宙船をトランスファー軌道に送る必要があります。この移行軌道の近地点は地上からわずか数百キロメートルですが、遠地点は36,000キロメートル以上あります。次に、軌道変更地点で少なくとも 2 回の加速を実行して軌道高度を上げ、所定の軌道に到達する前に軌道変更を微調整する必要があります。微調整パラメータには、軌道傾斜角、軌道高度などが含まれます。

この転送方法はホーマン転送と呼ばれます。天体の重力を最大限に活用し、宇宙船の燃料を大幅に節約できます。唯一の欠点は時間がかかることです。

実は、運搬ロケットが斜めに飛ぶのにはもう一つ理由があります。これは、ほとんどの宇宙船の飛行軌道が発射地点の上空に位置していないためです。所定の軌道に打ち上げるためには、地上から離陸した後の運搬ロケットの飛行方向は垂直上向きではいけません。地球の自転方向に打ち上げれば、地球の自転の線速度を利用して、より多くの燃料を節約できます。