エアロキャプチャー

エアロキャプチャーは、宇宙船が惑星の大気圏を一度通過することで得られる空気抵抗力を利用して減速し、軌道投入を達成する 軌道転換操作です。

エアロキャプチャは、惑星または衛星の大気圏を利用して、燃料をほとんど使用せずに迅速に軌道投入操作を行い、宇宙船を科学軌道に乗せる。エアロキャプチャ操作は、宇宙船が惑星間接近軌道から目標天体の大気圏に入ると開始される。宇宙船が大気圏に降下する際に発生する空気抵抗によって、宇宙船の速度が遅くなる。宇宙船が惑星に捕獲される程度に減速すると、大気圏を抜け、最初の遠点で小さな推進噴射を実行して近点を大気圏外に上げる。最初の科学軌道が確立される前に、遠点と傾斜角の目標設定エラーを修正するために、追加の小さな噴射が必要になる場合がある。

従来の推進軌道投入法と比較すると、このほぼ燃料を使わない減速法は惑星間宇宙船の質量を大幅に減らすことができる。宇宙船の質量のかなりの割合が軌道投入燃焼に使用される推進剤であることが多いためである。推進剤の質量を節約することで、ミッションにさらに多くの科学機器を追加したり、より小型で安価な宇宙船や、潜在的にはより小型で安価な打ち上げロケットを使用できるようになる。 [ ^1]

大気圏通過中に発生する空力加熱のため、宇宙船は熱保護システムを備えたエアロシェル（または展開式突入システム）内に収納する必要がある。また、機体には操縦中に自律的な閉ループ誘導も必要であり、これにより機体が目的の捕捉軌道を目標とし、十分なエネルギーが消散したら大気圏から脱出するよう指示を出すことができる。宇宙船が大気圏に深く入り込みすぎたり、十分なエネルギーを消散させずに早期に脱出したりしないように機体に十分な制御権限を持たせるには、揚力エアロシェルを使用するか、飛行中に機体の抗力発生領域を変更できる抗力調整システムを使用する必要がある。^{[2] [3]}

エアロキャプチャは、既存の突入機と熱防御システム材料を使用することで、金星、地球、火星、タイタンで実現可能であることが示されている。 ^[4]最近まで、突入状態と大気の密度プロファイルの不確実性が大きいため、中L/D（揚力対抗力）機が天王星と海王星でのエアロキャプチャに不可欠であると考えられていた。^[5]しかし、惑星間航行と大気誘導技術の進歩により、アポロなどの従来の低L/Dエアロシェルが海王星でのエアロキャプチャに十分な制御権限を提供できることが示された。^{[6] [7]}木星と土星でのエアロキャプチャは、巨大な重力井戸によって突入速度が非常に速くなり、空気熱環境が厳しくなるため、これらの目的地ではエアロキャプチャが魅力的ではなく、おそらく実現不可能な選択肢になるため、長期的な目標と考えられている。^{[4]しかし、}タイタンで空気重力アシストを使用して土星の周りに宇宙船を挿入することは可能です。^[8]

エアロキャプチャは、1960年代初頭から惑星探査ミッションのために研究されてきました。地球軌道上の衛星の平面を、推進機動ではなく空気力学的機動で変更するというロンドンの先駆的な論文は、エアロキャプチャの概念の先駆けと考えられています。^[9]エアロキャプチャの概念は、当時、空気力学的ブレーキングまたは「エアロブレーキング」と呼ばれ、レピックらによって火星と金星のミッションの潜在的な軌道投入方法として研究されました。^{[10] [11]}現代の^{[説明が必要]}用語では、エアロブレーキングは別の「エアロアシスト」機動を指し、エアロキャプチャと混同しないでください。^{[出典が必要]}クルーズの1979年の論文は、エアロキャプチャという言葉を使用した最初の論文であり、その後、火星サンプルリターン（SR）への応用に焦点を当てた一連の研究が続きました。

1980年代後半、スペースシャトルで打ち上げられたペイロードを使用して地球でエアロキャプチャを実証するためのエアロアシスト飛行実験（AFE）が考案されました。このプロジェクトは、誘導飛行ソフトウェアを含むいくつかの重要な開発をもたらしましたが、最終的にはコスト超過のためにキャンセルされ、飛行することはありませんでした。 ^[12] 1990年代後半、エアロキャプチャはマーズオデッセイミッション（当時はマーズ2001サーベイヤーと呼ばれていました）で検討されましたが、コスト上の理由と他の火星ミッションとの関連性により、後にエアロブレーキングに切り替えられました。^[13] 2000年代初頭、エアロキャプチャはNASAの宇宙推進技術（ISPT）プログラムによって重点分野として特定されました。このプロジェクトでは、太陽系のさまざまな目的地での基準エアロキャプチャミッションを定義し、飛行プロジェクトに実装する前に埋めるべき技術ギャップを特定するために、複数センターのエアロキャプチャシステム分析チーム（ASAT）が編成されました。 NASAラングレー研究センターのメアリー・ケイ・ロックウッド率いるASATチームは、金星、火星、タイタン、海王星へのエアロキャプチャミッションの概念を詳細に研究しました。^{[14] 2016年以降、特に金星と火星への小型衛星軌道投入、 [15]}と今後10年間の天王星と海王星へのフラッグシップクラスのミッションに関して、エアロキャプチャへの関心が高まっています。^[16]

NASA の技術者たちは、これまで宇宙船の性能、ミッション期間、科学搭載物に利用できる質量を制限してきた大量の燃料を積載することなく、ロボット宇宙船を太陽系の遠く離れた目的地の周りの長期科学軌道に配置する方法を開発しています。

ある研究によると、次善策（燃料燃焼とエアロブレーキ）よりもエアロキャプチャを使用すると、金星（79％増）からタイタン（280％増）、海王星（832％増）までのミッションで科学的ペイロードを大幅に増やすことができることが示されました。さらに、この研究では、エアロキャプチャ技術を使用すると、科学的に有用な木星と土星へのミッションが可能になることが示されました。^[17]

エアロキャプチャ技術は、有人火星ミッションでの使用も評価されており、質量面で大きな利点があることが判明しています。ただし、この用途では、乗組員に過度の減速負荷がかからないように軌道を制限しなければなりません。^{[18] [19]}ロボットミッションの軌道にも同様の制約がありますが、長時間の微小重力が加速許容範囲に与える影響を考慮すると、人間の制限は通常より厳しくなります。

エアロキャプチャを実行するには、宇宙船はエアロキャプチャの理論的な進入経路内で大気圏に進入する必要がある。進入角度が急すぎると、宇宙船は大気圏から脱出できない。進入角度が浅すぎると、十分なエネルギーを消費せずに宇宙船は大気圏から脱出する。経路内で進入することで、宇宙船の誘導方式は惑星の周りの捕捉軌道に必要な脱出条件を達成することができる。^[20]

エアロキャプチャー操作は、3 つの基本的なタイプのシステムで実行できます。宇宙船は、熱保護材料で覆われた構造で囲まれます。これは、剛性エアロシェル設計とも呼ばれます。同様に、もう 1 つのオプションは、膨張式熱シールド (膨張式エアロシェル設計とも呼ばれます) や機械的に展開されるドラッグ スカートなどのエアロキャプチャー デバイスを宇宙船が展開することです。3 つ目の主要な設計オプションは、膨張式のトレーリング バルルートです。これは、薄くて耐久性のある材料で作られた気球とパラシュートの組み合わせで、宇宙空間で展開された後、宇宙船の後ろで牽引されます。

鈍いボディの剛性エアロシェルシステムは、宇宙船を保護シェルで包みます。このシェルは空気力学的表面として機能し、揚力と抗力を提供し、高速大気圏飛行中に受ける激しい熱から宇宙船を保護します。宇宙船が軌道に捕らえられると、エアロシェルは放出されます。

NASA は、過去に大気圏突入ミッションに鈍角エアロシェル システムを使用してきました。最も最近の例は、2003 年 6 月と 7 月に打ち上げられ、2004 年 1 月に火星表面に着陸した火星探査ローバーのスピリットとオポチュニティです。もう 1 つの例は、アポロ コマンド モジュールです。このモジュールは、1966 年 2 月から 1968 年 4 月までの 6 回の無人宇宙飛行と、1968 年 10 月のアポロ 7 号から 1972 年 12 月の最後の有人アポロ 17 号月面ミッションまでの 11 回の有人ミッションに使用されました。エアロシェル システムの設計は、その長い歴史からよく理解されています。エアロシェルを大気圏突入からエアロキャプチャーに適応させるには、エアロキャプチャーのさまざまな加熱環境に対応するために、ミッション固有の熱保護材料のカスタマイズが必要です。また、エアロキャプチャー システムの質量を最小限に抑えるために、より高温の接着剤と軽量の高温構造が求められます。^[1]

展開式または膨張式エアロシェルの設計は、エアロシェルまたは鈍体設計によく似ています。しかし、揚力エアロシェルとは異なり、展開式または膨張式システムは揚力を生成しません。唯一の制御変数は抗力面積です。膨張式エアロシェルは、剛性ノーズピースと膨張した付属の減速器を備え、抗力面積を増やすハイブリッド システムと呼ばれることがよくあります。大気圏に突入する直前に、膨張式エアロシェルは剛性ノーズ キャップから伸び、宇宙船を減速させるためのより大きな表面積を提供します。薄膜材料で作られ、セラミック布で補強された膨張式エアロシェルの設計は、トレーリング バリュート設計と同じ利点と機能を多く提供できます。インフレータブル エアロシェルは、トレーリング バリュートほど大きくはありませんが、剛性エアロシェル システムの約 3 倍の大きさで、大気圏のより高所でエアロキャプチャ操作を実行し、加熱負荷を軽減します。このシステムは膨張式であるため、打ち上げ中および巡航中に宇宙船は密閉されず、宇宙船の設計と運用の柔軟性が向上します。^[1]

膨張式減速技術の主要技術の 1 つに、トレーリングバリュート構成があります。この設計は、軽量の薄膜材料で作られたトロイダル(ドーナツ型) 減速装置を特徴としています。バリュートは宇宙船よりはるかに大きく、パラシュートのように宇宙船の後ろに牽引されて、機体を減速させます。また、「トレーリング」設計により、エアロキャプチャ操作が完了した後に簡単に取り外すことができます。トレーリング バリュート設計には、宇宙船のサイズと形状が制限されない、機体に与える空力負荷と熱負荷がはるかに低いなど、剛性エアロシェル設計よりもパフォーマンス上の利点があります。トレーリング バリュートは宇宙船よりはるかに大きいため、エアロキャプチャは大気圏の高いところで行われ、そこでは熱の発生がはるかに少なくなります。バリュートは空気力学的な力と熱のほとんどを吸収するため、宇宙船の周囲に最小限の熱保護を使用できます。バリュート構成の主な利点の 1 つは質量です。剛性エアロシェルが宇宙船の質量の30～40%を占めるのに対し、バルルートの質量分率は8～12%程度と低く、より多くの科学ペイロードのために質量を節約できる。^[1]

エアロキャプチャは惑星探査ミッションではまだ試みられていないが、ゾンド6号とゾンド7号が月面帰還時に行った再突入スキップは、双曲軌道を楕円軌道に変えたエアロキャプチャ操作だった。これらのミッションでは、エアロキャプチャ後に近地点を上げる試みは行われなかったため、結果として得られた軌道は依然として大気圏と交差し、次の近地点で再突入が起こった。

エアロキャプチャ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^[21]、後にコストと他のミッションとの共通性の理由からエアロブレーキングに変更された^{[22] 。}

エアロキャプチャは土星の衛星タイタンへの到着のために提案され、分析されてきた。^[23]

フィクションにおけるエアロキャプチャーは、アーサー・C・クラークの小説『2010年：オデッセイ2』で読むことができる。この小説では、 2機の宇宙船（1機はロシア、もう1機は中国）が木星の大気圏でエアロキャプチャーを使用して余分な速度を落とし、木星の衛星の探査に向けて位置取りする。これは映画版の特殊効果として見ることができ、ロシアの宇宙船のみがエアロキャプチャーを受ける（映画では誤ってエアロブレーキングと呼ばれている）。

ビデオゲーム「Kerbal Space Program」のプレイヤーは、特に Jool (ゲームの木星に相当するガス惑星) の衛星を探索するときに、エアロキャプチャーを頻繁に使用します。

テレビシリーズ『スターゲイト ユニバース』では、宇宙船デスティニーの自動操縦装置が恒星系の端にある巨大ガス惑星の大気圏内でエアロキャプチャーを採用しています。これにより、宇宙船は星系の中心にある恒星へとまっすぐ向かいます。

SF小説『デルタ-v』では、小惑星採掘者が、小惑星リュウグウから地球へ帰還しようと必死になって、専用の航空捕獲船を使用する。

エアロキャプチャーは、NASA が大気のある惑星への科学探査のために開発している「エアロアシスト」技術群の一部です。探査先には、火星、金星、土星の衛星タイタン、外惑星などが含まれます。

エアロブレーキングは、エアロキャプチャーといくつかの類似点といくつかの重要な違いを持つ、もう 1 つのエアロアシスト操作です。エアロキャプチャーは双曲線軌道から宇宙船を軌道に投入するために使用されますが、エアロブレーキングは、すでに軌道上にある宇宙船の 遠点を下げるために使用されます。

• エアロキャプチャ ミッション分析ツール (AMAT) は、太陽系の大気圏目的地へのエアロキャプチャおよび突入、降下、着陸 (EDL) ミッション コンセプトの迅速なミッション分析機能を提供します。

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