前 言
宇宙利用是指对在宇宙空间飞行的人造卫星的利用。人造卫星是根据其各自的利用目的之不同而设计各种各样的形态，因人造卫星飞行轨道也多样化，故根据利用目的之不同，其飞行的轨道也不同。
因人造卫星飞行的轨道是被重力场所支配着的天体运动，在太阳系内的行星中心，可分为受地球重力场控制的轨道和受太阳重力场控制的轨道。
因地球轨道是围绕着地球的大气圈外飞行，所以最近发射上去的哈勃望远镜就能不受大气圈的干扰发挥自己的威力来观测宇宙。另外，利用同地球的自转运动有关连的特殊轨道而进行通信、广播、航行、气象观测、地球资源探测、测地等多种有益于人类生活的活动。
在轨道上的人造卫星因它的内重力和由轨道速度而产生的离心力平衡而处于失重状态，所以人们期望使人造卫星能作为微重力（micro gvavity）科学的实验场，以便制造出只有利用失重状态的流体工艺方法才能得到的新材料，而在地面上是无法制造出来的。
宇宙利用的目的虽是多样化，但其共同的特征是耗能巨大。在从地面上发射的人造卫星中，最少的耗能就能发射到的轨道是高度约为200公里的地球周围的圆轨道。对此所需的耗能量同在地面上运输机飞行相等距离所需的耗能量相比，约要100倍的耗能量。况且现在的火箭几乎都是一次性，所以其所必要的运输成本就要高几位数。
航天飞机的设计构想是，若它能有100次的再利用，其运输成本就约为一次性的十分之一。然而，当进行实际运用时，其实际运费成本就大大高于原先设计目标，可见降低宇宙运费成本就成为从事于航空航天工作的宇宙技术工作者的重大科研课题。
宇宙利用的现状
宇宙开发是从国际地球物理年（IGY，1957~1958年）开始的。美苏两国向月球、火星、金星、木星、土星、天王星、海王星发射上去的探M器取得的科研成果，使人们知道了太阳系和重新认识了地球，这对人类的知识和思想产生的影响远远超过了哥白尼、伽利略、牛顿在这方面所作的贡献。
地球观测卫星、太阳观测卫星、天文观测卫星已相继发射到不受地球大气圈干扰的地球轨道上，从而对地球、太阳活动、宇宙面貌进一步加深了解。
1963年，NASA向大西洋上空发射了同步通信卫星2号，这颗卫星发射成功后，超越大西洋的通信就进入了正常状态，利用通信卫星热也迅速掀起，如国际电气通信卫星机构及国际海事卫星机构等全球性通信网、欧洲和中东各国的地域性通讯网，还有印尼和奥地利等各国国内通信网也相继建立起来。
以民间公司开办的卫星通信及广播商业化也正在形成一种产业。日本的卫星通信公司或NHK的广播卫星“百合号”曾发生过故障，这说明正在成长的卫里通信及广播事业是种风险性大的开拓性事业。因发射卫星的成本高及其风险大，故确保它的可靠性和宇宙机器的寿命是极为重要的。
利用人造卫星支援航行方面，具有代表性的是美国空军正在运用的导航的全球定位系统（GPS）。其高度20，200公里，轨道与赤道的倾斜角为55度（周期是12小时），在均等地围绕着地球的6个轨道上各配置着3个导航卫星，从地球上任何地点都始终能利用到3个导航卫星。
每个导航卫星都搭载着4个原子能时钟，其稳定度是36，000年误差1秒钟，各个卫星都发出粗计测用的C/A信号和高精度的直通信号（P）。地球上任何移动体利用此信号测定自己的航行情报时，其位置的精确度是15米，即误差不超过15米，速度为1 m/s，时间是1 μs以内。C/A信号的精度就比P信号差几倍，但P信号是军用的且密码化，民间不能利用它。
气象卫星在现在的人们生活中具有很重要地位。气象卫星的作用涉及到如测量云的分布、地面或海面或云顶上的温度、海流和水蒸气的垂直分布、大气中的二氧化碳的浓度，观测臭氧，测量大气的垂直温度分布，跟踪气象观测气球、冰山流动，观测冰限界变化，收集设在地球各地的气象观测站的资料数据等。在人们愈来愈关心地球环境的今天，气象卫星显得更加重要：存在的问题是观测区间过大和部分地区尚未设立气象观测站。今后的研究课题是，能即时对变化无常的气象现象的通报和观测集中豪雨等变化情况等。
当地球资源探测卫星“大地卫星”（lendsat）1号拍摄图像最初传送到地面时，世界50多个国家的300多位科学家聚集在一起观看着那些清晰图像，从而对探测世界三大资源——食物、能源、环境——问题充满着信心。在大地卫星2号发射以前，NASA就把从卫星每周传送来的9000多张图像及资料全部公开化，之后世界许多国家为获取这些资料就在本国内建立了大地卫星的接收局。
利用卫星来观测气象，海洋及地球环境和探测地球资源时，还需要进一步提高观测和分析从幅员广阔的地球发射出来的电磁波波谱的能力。当然这有待于提高遥控传感器及望远镜的功能或像素数的增多，尤其是开发红外线和近红外线传感器用的冷却装置是很重要的。
1992年正好是国际地球物理观测学会成立35周年，为此，正在筹备国际空间年（ISY）的国际性活动，其主题是“地球行星的使命”。这意味着利用人造卫星观测地球的重要性有一个世界规模的广泛的认同。
利用宇宙飞船内失重环境来制造新材料的可能性已由在阿波罗计划中载入宇宙飞船里的宇宙飞行员所进行的各种实验实现了。因在宇宙飞船中有各种变化，是10-3~10-5 G级，被称为是微重力的坯境。无重力环境同地面上的重力相比，具有如下特点：（1）不存在浮力对流问题；（2）不会发生沉淀；（3）在液体内部不存在着静水压；（4）保持制造材料时的溶液，不必用坩埚；（5）在地面上制造材料时使用的真空泵因宇宙空间是高真空状态，使用起来非常方便等。
无浮力对流和无静水压的环境在地面是不存在的，而且这种环境有利于大型结晶的生长。在天空实验室、苏联载人空间站“礼炮”号等载人宇宙飞船中进行的各种结晶成长实验已取得了可喜成果。
利用无浮力对流这个特点已对巨分子量的缩氨酸类进行了分离，以此促进了对有价值的药作许多分离实验，在无坩埚的工序中，溶液就从结晶生成的核中游离，在冷却过程中，在过了溶液凝结点后就会出现极端过冷状态，一旦从这种状态开始凝固起来，这种凝固就在一个很小的场所进行，而且就在一个地方开始凝固#其凝固界面非常迅速地扩大并生成非结晶形块状。
尽管人们把在宇宙制造新材料视为宇宙利用的有前途的领域，但由于往返宇宙的费用高，宇宙实验次数偏低，在宇宙飞船内的环境不具备制造材料所期望的清洁度和精密度等原因，在整个80年代，宇宙利用远未达到商业化水平。
在宇宙生命科学领域，从对在宇宙逗留过的宇宙飞行员的健康管理资料中，人们对生理学、发生生物学、植物生物学、细胞学、放射线生物学等在地面上的生命现象的理解是有益处的，为此在作这方面的各种宇宙实验。
宇宙利用的未来和技术课题
探测行星的真正意义在于开拓新边疆，用于探测太阳系中未知领域的机器必须在难于预测到的极限环境中工作，为此，像旅行者卫星这样搭载着这一类机器的卫星必须能长年累月地继续航行，才能完成其探测任务。在这种环境下工作的探测机器本身必须是一种坚固耐用的和柔软性的系统。由于飞行时间长、耗能大，其费用就相当大，故探测机器的小型化及节能化将是今后的主攻课题。
哈勃望远镜的主镜直径有2.4 m，寿命有15年。它将在航天飞机中作定期服务并继续作探测工作，由于在地面上用的望远镜要受到穿过大气过来时光线的摇动的影响，即使算大口径望远镜，其口径也只有15 cm左右，它当然不可能具有十分理想的分解能力。宇宙望远镜是依口径的大小来决定分辨能力，因此，哈勃望远镜的技术课题就成为宇宙望远镜的未来课题了。
哈勃望远镜的角分辨能力是0.1″，这是在地面上最大望远镜的10倍以上，其主镜是用633 nm的光，其镜面抛得非常光滑，以致其误差同理想曲面相差不到1/60波长。但在1990年发射这种哈勃望远镜后，同光轴的重合方面发现了有问题，所以计划通过航天飞机来重新调整。
通信卫星的课题是扩大用户，宇宙系统的大型化实际上意味着，来自卫星的大功率发报，用大型天线的发报信号要有强大的电场密度化，接收信号的要有高增益化。
这种宇宙系统的大型化同地面上的系统小型化、简易化、低成本化密切相关，这也关系到用户量的扩大。
美国莫托罗拉（motorola）公司制定了一项雄心勃勃的计划，主要内容是把77个小型卫星发射到高度较低的轨道；开发超小型可搬电话通信系统；开辟卫星移动体通信市场。随着宇宙机器趋向于超小型化，包括通信及航行支援在内的利用宇宙面向大众化 · 也将因风险性小而进一步发展。
地球观测卫星的技术课题是提高传感器技术，开发高频率传感器、高波长传感器、传感器冷却装置将是其主要对象。在微重力场的利用实验中，引人注目的是开发超高精度恒温槽。物质在临界点的状态已经相当清楚了，但微重力场环境下的物质临界点特性还是未知领域，在宇宙飞船内设置具有千分之一K以下精度的恒温槽，当要测定各种物质的融点或三态点（三相点）时，或许能发现利用微重力场不仅可制造新材料，而且还对物质的性能有新的理解。
精密地测定地球的重力是自从牛顿以来一致在做的工作，按现在的技术水平可测定到11位数。长期以来在研讨无阻力（dvag free）卫星的概念，在地球轨道上有质量的物体对大气上层压力的阻力以及补偿太阳风和地球磁力的干涉力而飞行时，预料对地球重力分布能测定到15位数到18位数的水平。
当人们想象利用超导磁力轴承同游离的有不同质量的同轴汽缸所构成的机器在轨道上飞行时，使其内筒能作为惯性质量工作，而外筒就检测外部的干扰，预料这种能起互为补偿作用的机器可以开发出来。
若同轴在轨道面内，而且能使它固定于惯性空间时，无阻力的卫星将能实现，这种卫星将受到的干扰加速度是10-10 G以下，搭载的陀螺仪的测定摄动率沿着地球自转轴可达0.042″/年。当这种无阻力卫星技术在溶液的过冷实验中利用时，超过冷实验就可能实现。
依现有的宇宙技术水平，人类的宇宙活动仍带有很大风险。但随着全球化的进展，人们也将逐步地认识到宇宙是给人类遗留下来的唯一新天地，故在宇宙活动中有人参与的活动就更能激起人们的兴趣，也是人们长期以来的期望。以哈勃望远镜为代表的有关宇宙活动，制造新材料的实验、宇宙的生命科学实验、宇宙站的建立、月球面的基地建设及探测火星等，在可能的条件下开发出所需的机器人或开发出可支援人类在宇宙活动的高性能机器人是人们所期待的。尤其在失重的环境中开发出能作高难度作业的机器人是当务之急了。
日本是个机器人技术大国，但从日本的技术现状展望宇宙开发和宇宙利用的未来时，不能不感到现状与宇宙的要求之间有很大差距。日本的机器人技术如大规模集成（电路）（LSI）工厂那样，注重于高精密高生产率生产。但人们期待的宇宙机器人的特征应是，在宇宙世界能作艰难而非固定性运动的新型机器人，它必须具有应付自如的柔佳功能。
结束语
宇宙利用进入成熟化阶段的条件是 ，往低高度轨道的通路的费用要低廉而且进入轨道要简便化。当前给宇宙技术人员留下来的最大课题是能顺利实现宇宙利用的未来。为此，眼前的课题是开发宇宙往返机这就要求在许多技术要有新的突破，这对于精密工程学领域的期待就多了。扩大宇宙利用就是开拓新天地，具体地说来，开发宇宙往返机是关键。
[精密工学会志（日），1991年5月号]