どうやって宇宙にものを打ち上げるの？

簡単に言うと：

私たちはロケットに推進剤という十分な燃料を入れて、地球の大気より上にものを打ち上げているのです。

We launch satellites and spacecraft into space by putting them on rockets carrying tons of propellant. 推進剤は、ロケットが地表から離れるのに十分なエネルギーを与えます。 地球の重力に引っ張られるため、最大で最も重い宇宙船は、最も大きなロケットと最も多くの推進剤を必要とします。

GRACE Follow-On宇宙船は、2018年5月に軌道に打ち上げられました。 Credit: NASA/Bill Ingalls

How does a rocket lift off?

300年以上前に、アイザック・ニュートンという科学者が、物の動き方を説明する3つの基本法則を打ち出しました。 そのうちの1つは、「すべての作用には、等しく反対の反作用がある」という法則です。 これは、ロケットがどのように機能するかの最も重要な考え方です。

Credit: NASA/JPL-Caltech

打ち上げの写真やビデオを見ると、ロケットの下部から排気が流れていることがわかります。 排気とは、ロケットの推進剤を燃やしたときに出る炎や高温のガス、煙のことです。

ロケットのエンジンから出た排気は、地面に向かって押し下げられています。 これが作用力です。 これに対して、ロケットは反対方向に動き始め、地面から浮き上がります。

ロケットは一度発射したら、ずっと飛び続けるのでしょうか？

そう単純ではありません。 地球の重力がまだロケットを引っ張っているのです。 ロケットが推進剤を燃やして排気を出すと、推力と呼ばれる上向きの力が生まれます。 打ち上げには、ロケットを押し上げる推力が、ロケットを引き下げる重力の力より大きくなるように、十分な推進剤が必要なのです。

Credit: NASA/JPL-Caltech

ロケットは少なくとも時速17800マイルまで速度を上げ、地球の周りを曲がる軌道で、大気のほとんど上を飛ぶ必要があるのです。 これによって、ロケットが地上に引き戻されることはありません。

How to Orbit Earth:

例えば、地球の周りを回る衛星を打ち上げるとします。 ロケットは打ち上げられ、地球から特定の距離に到達すると、衛星を放出します。

Credit: NASA/JPL-Caltech

衛星が軌道に留まるのは、ロケットから得たエネルギーである運動量がまだあり、一方向に引っ張られているからです。 地球の重力は、衛星を別の方向に引っ張ります。 この重力と運動量のバランスによって、衛星は地球の周りを回っているのです」

Credit: NASA/JPL-Caltech

地球の近くを回る衛星は、地球の重力に強く引かれていることを実感します。 国際宇宙ステーションは、地球から約250マイルの上空を回り、時速約17,150マイルで移動しています。 他のNASAミッションとの情報交換に役立っている追跡・データ中継衛星と比較してみてください。 これらの衛星は22,000マイル以上の高さを周回し、高い軌道を維持するために時速約6,700マイルとかなり低速で飛行しています。

Credit: NASA/JPL-Caltech

How to Get Other Planets:

別の惑星に行こうとしたら、地球の重力に打ち勝って高速で動くロケットが必要です。 そのためには、時速25000kmくらいまでスピードアップしないといけない。 しかし、その惑星に行くために、地球を離れるのに最適な時期を見極める必要もあります。

たとえば、火星と地球は約2年ごとに最接近します。 これは火星に行くのに最適な時期で、推進剤と時間が最も少なくてすむからです。 しかし、宇宙船と火星が同時に同じ場所に到着するように、適切なタイミングでロケットを打ち上げる必要があります。

また、太陽系外への旅行を希望する場合は、慎重に旅行計画を立てる必要があります。 例えば、土星を研究するために宇宙船を送る場合、途中で火星や木星に遭遇するのか、

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