エアロブレーキング

エアロブレーキングは、宇宙 飛行操作の一種で、楕円軌道の最高点(遠点) を下げるために、宇宙船を大気圏の最低点 (近点) で飛行させます。その結果生じる抗力によって宇宙船は減速します。エアロブレーキングは、宇宙船が大気圏のある天体に到着した後、低軌道を必要とする場合に使用されます。これは、減速するのに 推進力を使用するよりも燃料が少なくて済むためです。

惑星間輸送体が目的地に到着すると、軌道に乗るか着陸するために速度を落とさなければならない。多くの科学研究で必要とされるように、かなりの重力を持つ天体の周りを低く円に近い軌道で回るには、必要な速度変化は毎秒数キロメートルのオーダーになることがある。推進力を使用する場合、ロケット方程式では宇宙船の質量の大部分が燃料でなければならないと規定されている。これにより、科学的なペイロードが減り、大型で高価なロケットが必要になる。目標天体に大気があれば、エアロブレーキングを使用して燃料要件を減らすことができる。比較的小さな燃焼を使用することで、宇宙船は細長い楕円軌道に入ることができる。その後、エアロブレーキングにより軌道が円形に短縮される。大気が十分に厚い場合は、1 回の通過で軌道を調整できる。ただし、エアロブレーキングには通常、大気圏のより高い場所での複数回の軌道が必要である。これにより、摩擦熱、予測できない乱流効果、大気の組成、および温度の影響が軽減される。

この方法でエアロブレーキングを行うと、各パスの後に速度の変化を測定し、次のパスのために修正を行うのに十分な時間を確保できます。火星の場合、最終軌道に到達するには6か月以上かかり、大気圏を何百回も通過する必要がある可能性があります。最後のパスの後、宇宙船が軌道上に留まるには、近点を大気圏より上に上げるために、ロケット エンジンによってさらに運動エネルギーを与える必要があります。宇宙船が着陸する場合は、やはりロケット エンジンによって運動エネルギーを失わなければなりません。

エアロブレーキによって消散する運動エネルギーは熱に変換されるため、宇宙船はこの熱を消散させる必要があります。宇宙船は、必要な抗力を生成してそれに耐えるのに十分な表面積と構造強度を持っていなければなりません。エアロブレーキに関連する温度と圧力は、大気圏再突入やエアロキャプチャほど厳しくはありません。マーズ・リコネッサンス・オービターのエアロブレーキのシミュレーションでは、宇宙船の断面積が約37 m ^{2で、1平方メートルあたり0.35} Nの力制限が使用され、最大抗力は約7.4 N、最高予想温度は170 °Cです。^{[1]エアロブレーキ中に}マーズ・オブザーバーに及ぼされた力密度（つまり圧力）は、およそ1平方メートルあたり0.2 Nで、^[2]地球の海面で0.6 m/s（2.16 km/h）で移動する空気抵抗に匹敵し、ゆっくり歩いたときに感じる量とほぼ同じです。^[3]

宇宙船の航行に関して、モリバ・ジャーは、エアロブレーキング中に宇宙船に搭載された慣性計測装置（IMU）データを処理し、地上の測定データとは独立して宇宙船の軌道を統計的に推測する能力を初めて実証しました。ジャーは、マーズ・オデッセイとマーズ・リコネッサンス・オービターの実際のIMUデータを使用してこれを行いました。さらに、これは、人為的な宇宙物体が他の惑星を周回する軌道を決定するために、初めてアンセンテッド・カルマン・フィルターを使用した例でした。 ^{[4]エアロブレーキング航行を自動化するために使用できるこの方法は、航空支援航法のための慣性計測（IMAN） [5]}と呼ばれ、ジャーはこの研究でNASAスペース・アクト賞を受賞しました。

多くの宇宙船は、運用にソーラーパネルを使用しています。パネルはエアロブレーキを改良して必要な軌道の数を減らすために使用できます。パネルはAI搭載のアルゴリズムに従って回転して抗力を増減し、到着時間を数か月から数週間に短縮できます。^[6]

エアロキャプチャーは、初期の軌道投入燃焼を行わない、類似しているがより極端な方法です。代わりに、宇宙船は初期の投入燃焼を行わずに大気圏深くに突入し、この1回の通過で目的の軌道に近い遠点点を持つ大気圏に出現します。その後、いくつかの小さな修正燃焼を使用して近点点を上げ、最終調整を行います。^[7]

この方法はもともと火星探査機オデッセイのために計画されていたが^[8]、設計に大きな影響がありコストがかかりすぎることが判明した^{[7] 。}

もう一つの関連技術は、航空重力アシストである。これは、宇宙船が上層大気を飛行し、最接近地点で抗力の代わりに空気力学的揚力を利用するものである。正しい方向に向けられれば、純粋な重力アシストよりも偏向角を大きくすることができ、デルタvが大きくなる。^[9]

エアロブレーキの理論は十分に発達しているが、この技術を使用するのは困難である。なぜなら、操作を正しく計画するには、対象惑星の大気の特性に関する非常に詳細な知識が必要であるからである。現在、各操作中に減速が監視され、それに応じて計画が変更される。宇宙船はまだ自力で安全にエアロブレーキを行うことができるわけではないので、これには人間の管制官とディープ スペース ネットワークの両方からの絶え間ない注意が必要である。これは、プロセスの終盤、つまり抗力通過が比較的近いときに特に当てはまる (火星の場合は約 2 時間しか離れていない)。^[要出典] NASA はエアロブレーキを 4 回使用して、宇宙船の軌道を、より低いエネルギー、より低い遠点高度、より小さな軌道に変更した。^[10]

1991年3月19日、ひてん宇宙船によるエアロブレーキングが実証された。これは深宇宙探査機による初のエアロブレーキング操作であった。^[11] ひてん（別名MUSES-A）は日本の宇宙科学研究所（ISAS）によって打ち上げられた。 ^[12]ひてんは太平洋上空125.5kmの高度を毎秒11.0kmの速度で地球の近くを飛行した。大気の抵抗によって速度は毎秒1.712m低下し、遠地点高度は8665km低下した。^[13] 3月30日には別のエアロブレーキング操作が行われた。

1993 年 5 月、マゼラン宇宙船の金星探査延長ミッション中にエアロブレーキングが使用されました。^[14]重力場の測定精度を高めるために、宇宙船の軌道を円形にするために使用されました。重力場全体は、延長ミッションの 243 日周期中に円形軌道からマッピングされました。ミッションの終了段階では、「風車実験」が実行されました。大気の分子圧が風車の帆のような向きの太陽電池の翼を介してトルクを及ぼし、探査機が回転しないようにするために必要な反トルクが測定されました。^[15]

1997 年、火星探査機「MGS」は、エアロブレーキングを軌道調整の主な計画技術として採用した最初の宇宙船でした。MGS は、金星へのマゼラン計画で収集したデータを使用してエアロブレーキング技術を計画しました。宇宙船は、ソーラーパネルを「翼」として使用して、火星の薄い上層大気の通過を制御し、数か月にわたって軌道の遠点を下げました。残念ながら、打ち上げ直後の構造的故障により、MGS のソーラーパネルの 1 つが深刻な損傷を受け、エアロブレーキング高度を当初の計画よりも高くする必要があり (したがって、力は 3 分の 1 になりました)、目的の軌道に到達するのに必要な時間が大幅に長くなりました。最近では、エアロブレーキングはマーズ オデッセイとマーズ リコネッサンス オービターの宇宙船で使用され、どちらの場合も問題はありませんでした。

2014年、ESAの探査機ビーナス・エクスプレスのミッション終了間際に、試験的にエアロブレーキ実験が成功裏に実施された。^{[16] [17]}

2017年から2018年にかけて、ESAのエクソマーズ・トレース・ガス・オービターは火星でエアロブレーキングを実施し、軌道の遠心点を減らすことに成功しました。これはヨーロッパのミッションとしては初のエアロブレーキング運用となりました。^[18]

火星探査機ミッション2はISROによる将来のミッションであり、遠点を低下させるために空気ブレーキングを使用することが提案されている。^[19]

ロバート・A・ハインラインの1948年の小説『宇宙飛行士』では、小惑星帯から地球への移動中に、予定外の長期ミッションと金星着陸のために宇宙船Aes Triplexを減速させる際に燃料を節約するためにエアロブレーキが使用されている。^[20]

アーサー・C・クラークの1982年の小説『2010年宇宙の旅』とその1984年の映画化作品に登場する宇宙船宇宙飛行士アレクセイ・レオーノフは、木星の大気の上層部の空気ブレーキングを利用して、木星-イオ系のL ₁ラグランジュ点に到達します。

2004 年のテレビシリーズ『2007年宇宙の旅』では、国際宇宙船ペガサスの乗組員が木星の上層大気でエアロブレーキ操作を行い、木星の軌道に入るのに十分な速度まで減速します。

スターゲイト ユニバースの第 4 話では、古代の宇宙船デスティニーがほぼ完全に動力を失い、エアロブレーキを使って進路を変えなければならなくなります。2009 年のエピソードは、デスティニーがまっすぐ星に向かって進むという クリフハンガーで終わります。

宇宙シミュレーション サンドボックス ゲームKerbal Space Programでは、これは宇宙船の軌道速度を低下させる一般的な方法です。大きな宇宙船が大きな抗力によっていくつかの部分に分裂することがあるため、 この方法は「エアロブレーキング」と冗談めかして呼ばれることもあります。

キム・スタンリー・ロビンソンの火星三部作では、火星に到着した最初の 100 人の人類を乗せたアレス宇宙船が、エアロブレーキングを利用して火星の周回軌道に乗ります。本の後半では、大気を濃くする取り組みの一環として、科学者が小惑星をエアロブレーキング状態にして蒸発させ、その内容物を大気中に放出します。

2014年の映画『インターステラー』では、宇宙飛行士のパイロットであるクーパーがエアロブレーキングを使用して燃料を節約し、ワームホールを出て最初の惑星の軌道に到着する際に宇宙船レンジャーの速度を落とします。

空力ブレーキとは、航空機の着陸時に飛行機を停止させる車輪ブレーキを補助する方法です。これは、短い滑走路への着陸や、路面が濡れていたり、凍結していたり​​、滑りやすい場合によく使用されます。空力ブレーキは、後輪（メインマウント）が接地した直後、前輪が下がる前に行われます。パイロットは操縦桿を引き戻し、エレベータの圧力をかけて機首を高く保ちます。機首を高くした姿勢では、機体の表面積の多くを空気の流れにさらすため、抗力が大きくなり、飛行機の速度を落としやすくなります。また、エレベータが上がると、空気が機体後部を押し下げ、後輪を地面に強く押し付けるため、横滑りを防いで車輪ブレーキを補助します。パイロットは通常、エレベータの力が失われ、前輪が下がった後も操縦桿を引き続けて、後輪に追加の圧力をかけ続けます。

空力ブレーキは着陸時によく使われるブレーキ技術で、車輪のブレーキとタイヤを過度の摩耗から守ったり、ロックして機体が制御不能に陥るのを防ぐのにも役立ちます。これは民間パイロット、民間航空機、戦闘機でよく使われており、スペースシャトルの着陸時にも使われていました。^{[21] [22] [23]}

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  エルメンドルフ空軍基地に着陸する F-22 ラプター。空力ブレーキを実演している。
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  スペースシャトルの着陸時の空力ブレーキ。

• エアロキャプチャー
• ブーストグライド
• リソブレーキング

ウィキメディア・コモンズには、エアロブレーキングに関連するメディアがあります。

• MGS の JPL エアロブレーキ レポート
• エアロブレーキの仕組みの説明 (PDF)
• Hoffman, S. (1984 年 8 月 20 ～ 22 日)。惑星間ミッションにおけるエアロブレーキングおよびエアロキャプチャ ビークルの比較。AIAA および AAS、アストロダイナミクス カンファレンス。ワシントン州シアトル: アメリカ航空宇宙学会。25 ページ。2007 年 7 月 31 日閲覧。