翻訳｜space flight
日本大百科全書(ニッポニカ) 「宇宙飛行」の意味・わかりやすい解説
宇宙飛行
うちゅうひこう
space flight
宇宙船やロケットなどが、地球の大気圏外の宇宙空間を飛行すること。
人類は太古の昔から宇宙に行くことを夢みてきた。第二次世界大戦後の1940年代後半から、ソ連︵ロシア︶とアメリカを中心にロケット開発が始まり、1961年、ソ連の宇宙飛行士ガガーリンが地球を一周する人類初の宇宙飛行に成功した。その後、アメリカのジェミニ、アポロ、スペースシャトルなどの宇宙船、1986年にはロシアの宇宙ステーション・ミールが打ち上げられ、1998年からは地球周回軌道上に国際宇宙ステーション︵ISS︶の建設が始まった。国際宇宙ステーションでは、世界15か国が参加して長期宇宙滞在が行われている。
宇宙飛行は大気圏を飛行する航空機とは異なり、無重力、真空で宇宙線が飛び交う空間を飛行する。重力の有無や宇宙線は宇宙船の軌道や姿勢に若干の影響はあるが、飛行にはあまり支障はない。
地上からロケットにより打ち上げられた宇宙船は、大気圏を通過したあとロケットの噴射を止め、重力による自由飛行の状態に入り、見かけ上は微小重力状態になる。地球周回飛行では、一度速度を与えるとずっとその速度を維持する慣性モードになり、宇宙船の姿勢や軌道の制御のためのわずかな燃料の消費だけでずっと回っている。しかし、小惑星探査機﹁はやぶさ2﹂のように地球の重力を振り切って遠方の惑星に飛行するためには、地球周回飛行から、ロケットの噴射やエンジンなどの動力を用いて大きな速度を与え、惑星に向かうよう宇宙船を誘導制御する。その後、探査機はその与えられた速度を保ち続ける。
1998年に宇宙で活動を始めてから20年以上運用されている、高度400キロメートルにある国際宇宙ステーションでは、搭乗員が常駐してさまざまな活動を行い、有人宇宙飛行に関する多くの技術や知見を蓄積している。以下、宇宙飛行での特殊環境と宇宙医学、宇宙船の搭乗員に必要な能力、危機管理と安全対策について説明する。
﹇長谷川義幸 2022年12月12日﹈
特殊環境と宇宙医学
骨量の減少・筋萎縮
宇宙船内では重さがなくなる状態になるので、人間の体にはさまざまな影響が現れる。早期には宇宙酔いや、地上では重力によって下半身に多く集まっていた体液が頭部などの上半身に回り、下肢が鳥の脚のように細くなる体液シフトが起こるが、これらの症状は時間の経過とともに軽快する。骨およびカルシウム代謝の障害、筋肉の萎縮(いしゅく)、宇宙線による影響、精神的ストレスによる活動能力の低下は、滞在が長期になるにつれて顕在化するので予防対策が重要になる。
骨への長期間の荷重が極端に減るので、骨量は老人性骨粗鬆症(こつそしょうしょう)や長期間にわたる寝たきりの状態の場合を超えるほど、急速に減少する。骨は荷重による刺激がなくなり、地上での重力に耐える強度をもつ必要がないため、カルシウムは骨から放出されて血液に入り、血液から尿に移って体外に排出される。その結果、尿路結石や骨がもろくなるリスクがある。この骨量減少への対策には、カルシウムとビタミンDを含む栄養の補給、荷重負荷機器を使った運動や有酸素運動などの運動療法、薬剤の摂取の三つがある。生物においては、使われない機能はどんどん低下する。宇宙では筋肉をわずかに動かすだけで生活できるので、とくに地上では重力がかかっていた下半身を中心に筋肉が衰える。何も対策をとらなければ、足の筋肉が委縮して地球帰還後の歩行に支障が出る。このため、自転車エルゴメーターとトレッドミルなどを利用した有酸素運動、筋力トレーニング器具を使った抵抗運動が欠かせない日課となる。
﹇長谷川義幸 2022年12月12日﹈
宇宙線被曝(ひばく)
銀河宇宙線、太陽活動による太陽粒子線、地球磁場に捕捉(ほそく)された陽子線などの宇宙線は、宇宙船本体や内部の構造物と衝突することによって二次宇宙線や中性子を発生させ、人間はそれらによって被曝する。このため、防護装置を設置し、線量計でモニター管理する。太陽活動の活発な時期に発生する太陽フレアやコロナガスによる衝撃波に起因する太陽放射線粒子を監視し、その発生を予測して、避難が必要な場合は防護壁が厚い場所に移動する。
［長谷川義幸 2022年12月12日］
精神・心理的影響
ときに単調な、ときに緊張感を強いられる狭い閉鎖空間で、長時間外国人の仲間と、地上とは異なる昼夜の区別のない日々を過ごすことで、日常的にストレスにさらされ、生体リズムが崩れて病気に対する抵抗力が弱くなっていく。宇宙空間は一歩宇宙船の外に出ると生存できない環境であり、心の支えとなる家族からも離れているので、精神的に不安定になる。そのため国際宇宙ステーションの宇宙飛行士に対しては、飛行前から宇宙飛行士との信頼関係を築いた精神科医または心理専門家が、2週間に1回、15分程度の遠隔面接を行って飛行中の微妙な心理的な変化やストレスを評価し、必要に応じて適切な対処法を助言している。また、定期的に家族、友人と交信を行ったり、新聞や本・雑誌、映画DVD、音楽CDなどを宇宙にもっていったりして、リラックスする時間を設けている。
﹇長谷川義幸 2022年12月12日﹈
搭乗員に必要な能力
これまで説明した極限の宇宙環境で活動する搭乗員に必要な能力は、以下のとおりである。
［長谷川義幸 2022年12月12日］
健康な肉体と精神
歯が痛い、腹や腰の調子が悪いなどの症状があっても病院はないので、健康な肉体をもっていることが必要である。治療するためには地球に戻らなければならないが、飛行機のように空から地上には簡単に降りられない。
また、宇宙飛行士は長期間共同生活をするので、仲間とよい関係を保てるよう努力する必要がある。現在、国際宇宙ステーションでは、アメリカ、ロシア、ヨーロッパなどの宇宙飛行士、最大6人が約6か月間滞在している。育った環境も文化も違う仲間と、朝から晩まで仕事も生活も一緒なので、それに適応できることが求められる。すなわち、閉鎖空間でのストレス耐性が重要となる。ものの見方や態度が肯定的で、人に対しては威張らず謙虚であり、人の話をよく聞く、明るい性格の人物が適している。
﹇長谷川義幸 2022年12月12日﹈
仕事をこなす能力
チームワーク能力
飛行機の場合と同じように船長の指示に従いつつ、雰囲気づくりなどを含め、チームで仕事を進める能力が求められる。宇宙飛行士だけではなく、地上の管制官や技術者ともチームとして機能して初めて宇宙船の飛行がうまくいく。そのため宇宙飛行士には、計画を練って行動できるとともに、調整する能力も必要となる。議論ばかりしていないで決断する能力、心の琴線にふれるコミュニケーション能力もだいじである。外国人と集団で活動するので、異文化適応力も求められる。
また、ミッションの成功には、リーダーシップが欠かせない。仕事の環境はつねに変化していくので、思わぬことが起きることは頻繁にあり、リーダーには仲間の能力を見極めて、メンバーが自由に意見をいえる雰囲気をつくり、状況判断のための情報を結集できる能力が必要である。チームでとことん話し合い、全員が納得した結論に沿って動くと、メンバー各人に責任感が生まれてチームの一体感が出てくる。
﹇長谷川義幸 2022年12月12日﹈
危機管理と安全対策
地上の車や列車はトラブルが起きた場合、停止すれば安全を確保できるが、宇宙船は飛行を始めたら、トラブルの対処は容易ではない。さらに、トラブルの発生により地球に帰還する場合にも、飛行機のように空気の中を降りるのではなく、大気圏に再突入して特殊な回廊を通らなければならないので簡単ではない。宇宙飛行中も宇宙飛行士は、つねにリスクのなかにいる。たとえば、地上では重力があるので、口や鼻から吐いた炭酸ガスは、空気より重いため下に落ち、自然対流により空気が供給されるが、宇宙では自然対流が起きないので、炭酸ガスは口や鼻の周りにとどまり、そのままでは窒息してしまう。そのため、就寝時もつねに空気を流している。エアコンが止まると生命維持ができなくなるので、予備の装置と電源を備えておく。空気の循環のことだけをとっても、宇宙では死と隣り合わせなのである。
このような特殊事情から宇宙開発では危機管理として、起きそうなトラブルをあらかじめ可能なかぎり洗い出し、事故が起きないように設計に盛り込んでおく。そして、万が一トラブルが起きたときに備えて、搭乗員が対処できるように十分訓練をする。NASA︵アメリカ航空宇宙局︶は、60数年にわたる歴史のなかで、多くの事故や重大な危機を経験してきた。アポロ1号の打ち上げ前リハーサルで3人の宇宙飛行士が焼死した事故︵1967︶、船内で酸素タンクが爆発したアポロ13号の奇跡の帰還︵1970︶、スペースシャトル﹁チャレンジャー号﹂の打ち上げ直後の爆発事故︵1986︶、スペースシャトル﹁コロンビア号﹂の帰還時の空中分解事故︵2003︶のような悲劇である。NASAはこれらの失敗を徹底的に分析し、失敗を防ぐ危機管理システムをつくってきた。安全設計のポイントは、以下のハザード︵安全を脅かす要因が顕在または潜在する状態︶の解析である。まず、ハザードを網羅的に抽出し、原因究明を行う。次に、故障と宇宙飛行士の誤操作が重なっても﹁致命的ハザード﹂を引き起こさない設計とする。たとえば、不意の電源投入を防止するために、複数の電源スイッチがONにならないと電源が入らない仕組みにする。また、宇宙船のような密閉空間では火災や有毒ガスの影響が大きいので、火災防止設計に重点を置く。火災を防ぐためには、燃えにくい材料を使用したうえで、発火源とならないような部品の選定、バッテリーや回転機器などの発火源の管理をする。異常を検知する煙検知器や温度センサーを準備し、異常を検知したら自動的にエアコンを停止させ、緊急警報を作動させて異常を知らせるようにする。エアコンを止めるのは、無重力では自然対流が起きないので、空気の流れをなくすことで自己消火させるためである。さらに、消火器と酸素マスクなどを用意する。火災が発生した場合に備えて、制限時間内で消火器を操作する訓練をする。消火ができない場合にはハッチを閉めて部屋を隔離し、短時間で避難場所へ退避する。こうした訓練はトラブルを想定して何回も行う。危機管理はトラブルが起こってから考えるものではない。人間はかならずミスを犯す生き物なので、ミスを犯した場合の対処が重要である。
﹇長谷川義幸 2022年12月12日﹈
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改訂新版 世界大百科事典 「宇宙飛行」の意味・わかりやすい解説
宇宙飛行 (うちゅうひこう)
space flight
宇宙空間，すなわち地球の大気圏外を飛行すること。この場合，飛行体は無人であってもかまわないわけであるが，一般には，宇宙空間を人間が移動している状態，言い換えれば宇宙旅行space travelとしてとらえられることが多い。
空想の時代
宇宙飛行の発想をさかのぼれば，それはまず伝説や物語の中に見いだすことができる。その中では，人間は地上に対して天を一つの世界と考え，宇宙を舞台に観念的な自分の世界をつくり上げていた。そしてその世界との行き来が物語として残り，高い所へのあこがれは，壮大な建造物として残っている。この段階では，地球や宇宙そのものの知識が十分ではなかったから，とくに宇宙と大気中の飛行の区別はつける必要はなかったであろう。飛ぶことのできたうれしさのあまり太陽に近づきすぎ，翼を固めた蠟が溶けて墜死したギリシア神話のイカロスの話はその例としてあげることができる。また2世紀にはギリシアのルキアノスによって，月世界旅行のSFの第1号ともいえる，暴風雨で月まで飛ばされた船と乗組員の話がつくられている。 その後，17世紀ごろまで目だったものはなかったが，地球と宇宙そのものに対する理解が深まるとともに，多くの人によって宇宙旅行が空想されるようになった。多くの観測データをもとに，惑星が太陽を焦点とする楕円軌道上を動くことを発見したJ.ケプラーも，月への旅行について思いを巡らし︽ソムニウム︵夢︶︾という月に移住する話を著した。またイギリスの僧侶F.ゴドウィンはこれをさらに発展させて，月の植民地を論じた書物を著しているし，シラノ・ド・ベルジュラックも，︽日月両世界旅行記︾に露の蒸発を利用して月に到達するという話を残している。これらは今日の宇宙飛行をある程度予言したものではあるが，根本的に不満足な点は宇宙飛行の原理がうち立てられていないことであった。実現への懸橋
宇宙飛行の原理は，ケプラーの死後I.ニュートンが発見した万有引力の法則の中にあった。ニュートンはこの法則をもとに，宇宙飛行について，高い山の上においた大砲から十分大きな速度でうち出された弾は落下せず地球のまわりを回るであろうことを説明している。しかしながらニュートン自身はこれ以上宇宙飛行に深入りすることはしなかった。また，宇宙飛行を目ざした人々でもニュートンの示した8km/sという速度にあえて挑む人物は当分いなかったのである。 これに挑んだのは︵もちろん想像であるが︶19世紀のジュール・ベルヌで，︽月世界旅行︾の中においてであった。産業革命の真っただ中であって，これまで不可能と思われたことが近代科学によって次々に実現しつつある時代であった。ベルヌは地球から月への脱出速度を約11km/sと見積もり，砲身270mの大砲から砲弾をうち出すことで実現できるものと仮定した。この方法はできそうに思えるが，実際にはとても実行できるものではない。なぜなら，砲身を出たときにこの速度に達しているためには，重力の加速度︵約9.8m/s︶の約2万倍という，ものすごい加速度で加速しなければならず，人間が生きていられるはずもないからである。ベルヌの話のおもしろさはむしろその後の無重量状態や，真空中での人々の反応，目的地である月に重点がおかれている。ここでも人間の宇宙飛行が主題であって，全体が新天地への旅行としてとらえられていることが，同じ飛行でも航空機による飛行とはそのはじめから趣を異にしているのである。宇宙への第一歩
大砲による宇宙飛行が不可能であることを認識し，実現可能な方法を考えた人々は20世紀に入ると立続けに登場した。ロシアのK.E.チオルコフスキーは，1903年に︽宇宙空間へのロケット︾という論文を書き，ロケットこそが宇宙飛行に有効なこと，そしてそれまでの火薬を用いたロケットではなくて液体の推進剤を用いる方法を理論的に提案した。一方，09年にアメリカでR.H.ゴダードがロケットの研究を開始し，19年に︽超高層に到達する方法︾という書物を出版し，みずからも液体燃料ロケットをつくって実験していた。これら2人はソ連，アメリカという宇宙開発における二大国の先駆者として，とくに高い評価をうけている。このほかにも，1895年ごろにペルーのリマで，ポーレットPedro Pauletが最初の液体ロケットの実験をしたといわれているが，これらの人々の間には直接の交流はなく，それぞれが独自に活動していたにすぎなかった。実質的にもっとも現在の宇宙飛行に貢献のあったのはドイツ人たちであり，すでに1904年ごろ，マウルAlfred Maulはカメラをロケットに取り付けてうち上げていた。とくに第1次世界大戦後は宇宙飛行を目標にした研究が盛んになり，23年にいたって，H.オーベルトは︽惑星間空間へのロケット︾という本を出して，この中で理論だけでなく，具体的な提案を行い，またみずから小型のロケット実験を開始した。このときこのグループの一員であった少年フォン・ブラウンは，後にV2号という本格的なロケット兵器を開発したが，彼自身はあくまで宇宙飛行のためのロケットと考えていた。彼はドイツの敗戦によってアメリカの捕虜となり，以後はアメリカでロケットの研究を続けた。この間，真に現代科学としての宇宙飛行の特徴であるシステムを基本にした研究開発を実行し，それまで理論的に可能といわれながら実現しえなかった宇宙飛行を技術的に可能にするとともに，人類初の月への有人飛行を実現するきっかけをつくった。このアポロ計画によって実現した宇宙飛行技術は，スペースシャトルによる宇宙からの有翼機による帰還が可能になった現在でも基本的に変わっていない。飛行方法
宇宙飛行において不可欠なのは，人間を地球から宇宙へ送り込むことができる性能のよい大きなロケットである。今日の宇宙飛行においては，最初にロケットによって数分間加速して，地球あるいは太陽系のまわりの楕円軌道にのってしまえば，残りの大部分の期間は動力の不要な慣性飛行である。地球から火星や金星などの惑星に飛行する場合，最少の加速という意味でもっとも効率がよいのは，地球の公転軌道と目的の惑星の公転軌道に接する楕円軌道上を飛行することである。この楕円軌道はホーマン軌道と呼ばれる。ただしホーマン軌道を利用するには，ロケットが目的の惑星の軌道に到達したとき，ちょうどその惑星がその位置にいなければならないので，ロケットの発射時期を選ばなければならない。この時期は，二つの惑星︵地球から出発する場合なら地球と目的の惑星︶の相対位置と，二つの惑星の公転軌道面の交線付近に出発と到着の軌道が位置しなければならないことから決まってくる。この時期からずれるに従って，より大きなロケットの速度を必要とし，したがってより多くの推進剤を使用しなければならない。通常，ロケットはホーマン軌道を利用する場合よりも余裕をもって設計され，1ヵ月間くらいの間ならば，ホーマン軌道より大きなエネルギーを必要とする場合でも到達できるようになっている。この期間を発射の窓またはランチ・ウィンドーlaunch windowと呼んでいる。同様のことは，地球の引力圏の中の人工衛星間の飛行や月への飛行に対してもあてはまる。例えば赤道に沿って回る軌道半径の異なる二つの円軌道の人工衛星間の行き来は，これら二つの衛星軌道に接する軌道に沿って飛行するのがもっとも効率がよい。このために出発，到着の時期を選ばなければならないが，そのチャンスは同一軌道面内を飛行しているかぎり，軌道の公転周期と同程度の期間ごとに訪れることがわかっている。 なお，地球から他の惑星に出発するときの速度は，宇宙船が地球の人工衛星速度より大きな速度で地球を脱出した後に地球に対してもっている速度と地球の公転速度を合成したもので決定される。 →宇宙開発 →ロケット 執筆者‥長友 信人
出典 株式会社平凡社「改訂新版 世界大百科事典」改訂新版 世界大百科事典について 情報
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