宇宙工学

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地球を回るハッブル宇宙望遠鏡STS-109 ミッション中にて撮影)

宇宙工学(うちゅうこうがく、英語:astronautics、cosmonautics)は、宇宙開発を行うことに関連した工学の一分野である。地球の大気の外側を飛行するための理論および技術であり、言うなれば、宇宙飛行の科学技術である。宇宙工学は航空宇宙工学ともよばれるが、後者の場合は航空工学・宇宙工学の双方の意味でしばしば用いられる。

宇宙工学において質量、温度、外部の力への制約は過酷な宇宙の環境で生き延びるために非常に重要である。とくに地上では再現できないような高レベルな真空惑星間空間英語版ヴァン・アレン帯の強力な放射線などに耐えなければならない。

打ち上げには大きな速度が必要なため巨大な力がかかり、軌道上は温度変化も激しいため人工衛星はこれらに耐えられるように設計しなければならない[1]。宇宙に持っていける質量にはペイロードにより厳しい制約が課せられるため、宇宙工学の技術者は設計にあたって、ペイロード限界を踏まえできる限り軽量な宇宙機を設計しなければならない。

歴史[編集]

初期の宇宙航法の研究は理論的考察から始まった:宇宙旅行に必要な数学的基礎はアイザック・ニュートンが1687年に出版した自然哲学の数学的諸原理にて確立された[2]

スイスのレオンハルト・オイラーやイタリアのジョゼフ=ルイ・ラグランジュといった数学者たちは、18世紀から19世紀にかけて古典力学の数学的基礎づけに寄与した。しかし、これらの理論的可能性にもかかわらず、宇宙旅行が実際に実現できるようになるのは20世紀半ばまで待たねばならなかったことである。他方では、宇宙飛行の興味はジュール・ヴェルヌH・G・ウェルズらによって小説の世界で描かれていたのだ。

20世紀初頭、ロシアのコンスタンチン・ツィオルコフスキーによって導かれた、かの有名なツィオルコフスキーの公式がある。この方程式によりロケットの推進の理論的考察ができるようになった。この方程式は宇宙船の質量(m_1)、推進剤と宇宙船の質量の和(m_0)、推進剤の排出速度(v_e)、から宇宙船の最終速度を計算することができる。

\Delta v\ = v_e \ln \frac {m_0} {m_1}

より詳細な宇宙旅行の数学理論については、軌道力学を参照のこと。

1920年代初頭にアメリカロバート・ゴダードは液体燃料ロケットを開発し、それはわずか10年程度で後のV-2ロケットサターンVの設計思想にきわめて重要な影響を与えた。

宇宙工学の基本概念[編集]

宇宙工学は多くの専門的分野からなり、技術者や科学者らはこれらの異なる多くの専門的知識を生かしながら働いている。

  • 軌道力学:軌道の運動について研究する分野である。この分野は宇宙機の打ち上げに応用され、弾道学や天体物理学のような分野がある。
  • 宇宙機の推進方法:いかなる方法で宇宙機の軌道を変更し、いかなる方法で打ち上げるのか。多くの宇宙機はさまざまな種類のロケットエンジンを採用しており、さまざまなロケットの研究がすすめられている。推進方法としては従来の化学燃料ロケットのほかに、原子力や電気推進などの方法も研究されている。
  • 制御工学:人工衛星やロケットを軌道に保ちたい場合、宇宙機の誘導に、向きを変更したいなら姿勢制御に応用される。

宇宙工学の分野[編集]

関連分野[編集]

宇宙工学により実現される各種の分野

民間企業[編集]

脚注[編集]

  1. ^ Understanding Space: An Introduction to Astronautics, Sellers. 2nd Ed. McGraw-Hill (2000)
  2. ^ Fundamentals of Astrodynamics, Bate, Mueller, and White. Dover: New York (1971).

関連項目[編集]