ロケット打ち上げ時の速度

地球の周回軌道や重力圏外に出るために
ロケットは高速で打ち上げられていますが
なぜ高速で打ち上げなければならないのでしょうか？

時速５００キロでも５０キロでも
消費するエネルギー量は同じだと思うのですが．．．

単に、周回軌道速度を出すために必要だからでしょうか？
速度が速い場合と遅い場合の利点と欠点を教えてください。

No.6 ベストアンサー 回答者： sinobu_wednesday 回答日時： 2005/07/27 13:30

話の大前提として、現在、我々が宇宙空間で推進力として使える動力源は、極めて大推力を極短時間だけ絞り出せるタイプのものしかないということが上げられます。

よって、行程のほとんどは慣性飛行（推力ゼロで外力にのみ左右される飛行）をする必要があるのです。地球近傍では、推力ゼロとすると受ける力のほとんどは地球の重力ということになりますから、単純に言ってしまえば放物線・楕円・双曲線軌道のいずれかに沿ってのみ飛行可能ということですね。この条件の下では、短時間に高加速を達成し、速度エネルギーという形で周回軌道なり重力圏脱出のために必要なエネルギーをもつ必要があります。

もし仮に、人類が「低推力かつ長時間噴射可能」という動力源を開発出来れば、そのエンジンをだらだらと噴かすことで、ゆっくりと地球の軌道を周回したり、重力圏を脱することが出来ると思います（もちろん低推力と言っても最低限地球の地表面重力よりは上でないと地表から上昇できませんが）。
その場合は、常に外力以外の推力が存在できますので、軌道は必ずしも放物線・楕円・双曲線軌道のいずれかである必要はありません。その気になれば地球周辺をゆっくりと四角い軌道で飛ぶことだって出来ないことではありません。また、太陽圏外に向かって（おなじくゆっくりと）一直線に飛ぶことだって出来るでしょう。

問題は、人間がそのような動力源を持っていないということですね。故に、必要なエネルギーを数分間という時間で絞り出す必要があり、結果として一気に高速になってしまう、という訳です。

No.7 回答者： cubics 回答日時： 2005/07/27 13:47

ｘｘ宇宙速度というのは、初速がそれで、打ち出した場合で、途中加速はしなくても済む場合ですね。

おっしゃるようにエネルギー保存で位置エネルギーが運動エネルギー、そしてその加速度を生じるのに消費するエネルギーが等価であれば、速度が比較的遅いほうが乗員の負担も小さいですね。
しかし、実際にはエネルギーの損失がありますし、空気抵抗もあります。損失がある以上、この場合は時間が短い方が効率がよくなります。
空気抵抗も早く上空に到達した方が、空気が薄くなるので有利です。重力もより小さくなります。
さらに宇宙空間で地球に引き戻されないようにロケット推進すると、燃料積載量など、負担になりますから、最終的な速度は、第１宇宙速度に到達するようにするということになります。

打ち上げ速度を早くすることで、できるだけ空気の薄く重力の小さくなる高度へと、短時間で到達できます。
乗員への負担は大きくなりますので、医学的影響を考慮した最高加速度を決めて、そこから、燃料消費量などを考えて、打ち上げシナリオを作成しているのですね。
以上、ごく簡単に書きました。

原理的には宇宙空間で静止する宇宙ステーションまでエレベーターを作れば、楽に宇宙に行けるなんてお話もありますね。^^;)

No.5 回答者： matrsetra 回答日時： 2005/07/27 13:04

弾丸を水平に打ち出したとして地球に大気も山もないのっぺらぼうとすると、速度が速いほど遠くへ落ちます。

これは弾丸が地球の中心に向かって自由落下しているためで、どんどん速度を上げていくと地球を一周してしまいます。
見かけは弾丸の自由落下の曲率と地球の曲率が近いのでいつまでも落ちない事になります。
この速度を第一宇宙速度と言い7.905km/sと言う訳です。
更にどんどん速度を上げていくと軌道は楕円軌道になって行き、更に速度を上げるとやがて返ってこなくなります。
この速度を第二宇宙速度と言い11.18km/sとなります。
自重が1tの車を50km/hで走らせるのと500km/hの速度で走らせるのとでは、エネルギーが違うのは衝突したときの破壊力の差で想像できるのではないでしょうか。
現状では周回軌道に乗る為には決まった速度出さなければならないと言う事です。
速度を遅くする利点としてはスペースシャトルが帰還の際、逆噴射を掛け続けて速度を落せば問題の耐熱タイルの損傷の影響が少ないのかも知れませんが、その為の減速に使う燃料が打ち上げ時の燃料タンク並みとしたらコストが掛かりすぎて現実的ではないと言う事なのでしょう。

No.4 回答者： 918BG 回答日時： 2005/07/27 12:25

他の回答者の皆さんに比べると幼稚な回答でちょっと恥ずかしいのですが、私自身は以下のように自分流に解釈してます。

ロケットが地球の引力に打ち勝って宇宙へ飛び出すためには、一定以上の大きなエネルギーが必要です。ある重さのロケットに、より大きなエネルギーをぶちこんだら、その「結果」としてより速いスピードで運動を始めたという関係なんじゃないでしょうか?

速度というのは、直接目に見える現象ですが、実は目に見えない「大きなエネルギーを帯びている」という事が重要なのではないかと思っています。

No.3 回答者： nhojutu 回答日時： 2005/07/27 12:14

人工衛星の原理は，No.1やNo.2の方がご回答されているとおりです．重要なことは，必要な加速というのは本来，横方向に必要なのです．したがって，ロケットを真上に打ち上げるのは無駄であるといえます．

（そういう意味では，垂直方向にはゆっくりでもよいのです．）

それでもなぜ真上に打ち上げるかというと，地球の大気のせいで地表すれすれの軌道はありえないので，ある程度空気がうすくなる高度までは上昇しないといけないという制約のせいです．

しかし，縦方向へ加速しても，もたもたしていると地球の重力に引き戻されてしまいますので，あまりゆっくり上昇するのも効率がわるい．
そのため，ロケットは通常，ものすごい勢いで上昇するのです．

No.2 回答者： wulong 回答日時： 2005/07/27 12:05

角度や空気抵抗などを無視して単純化した話をします。

例えばあなたがボールを放るとどうなりますか?　考えるまでも無く、引力によって地上に落ちますよね。
速度が遅ければ近い所に落ちますし、速い球ほど遠くまで飛びます。
ただ、どんなに速い球を放る人でも結局ボールは地上に落ちてしまいます。それはなぜかというと、引力に打ち勝つ速度が足りないせいです。

理想化して考えると、より速い球を放れれば、どんどんその落下する位置は遠くになります。そしてその速度が一定の速さを超えると、ボールは引力によって地上に落ちることなく地球の周りをまわることになります。つまり永久に落下運動をしていると言うことになります。この運動が地球の周りを回っている人工衛星などの運動になります。この最初に加えた力と、地球の引力のバランスのおかげで宇宙のかなたへ飛び去ることなく回りつづけていられるのです。

もうお分かりでしょうが、ある一定の速度を出さないとこのように地球の周りを回りつづけることは出来ないのです。

No.1 回答者： noranuko 回答日時： 2005/07/27 11:56

地球の重力を振り切るために速度が必要なのです。

宇宙速度と呼ばれるものがあり、
第一宇宙速度は地球すれすれに衛星となるのに必要な速さ、
第二宇宙速度は地球の重力を振り切り太陽の惑星となるのに必要な速さ、
第三宇宙速度は太陽系を脱出するのに必要な速さです。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%84%B1%E5%87%BA% …
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%BA%E5%B7%A5% …
この2つを参照してみてください