地球中心軌道

地球中心軌道、地球中心軌道、または地球軌道には、月や人工衛星など、地球を周回する物体が含まれます。1997年、NASAは、ゴダード宇宙飛行センターによって追跡されたところ、地球を周回する人工衛星ペイロードが約2,465個、宇宙ゴミが6,216個あると推定しました。 [1]これまでに打ち上げられた16,291個以上の物体が軌道崩壊を起こし、地球の大気圏に突入しました。 [ ¹^]

宇宙船は、重力による求心加速度が速度の水平成分による遠心加速度以下になったときに軌道に入ります。低地球軌道の場合、この速度は約 7.8 km/s (28,100 km/h、17,400 mph) です。^[2]対照的に、有人飛行機でこれまでに達成された最高速度 (宇宙船の軌道離脱による速度を除く) は、1967 年にノースアメリカン X-15によって記録された 2.2 km/s (7,900 km/h、4,900 mph) です。^[3]高度600 km (370 mi)で地球の軌道速度に達するために必要なエネルギーは約 36 MJ /kg で、これは対応する高度まで上昇するだけで必要なエネルギーの 6 倍です。^[4]

高度約 2,000 km (1,200 マイル) 未満の近地点にある宇宙船は、地球の大気圏からの抗力を受け、^[5]軌道高度が低下します。軌道の減衰率は、衛星の断面積と質量、および上層大気の空気密度の変化によって異なります。高度約 300 km (190 マイル) 未満では、減衰はより急速になり、寿命は数日単位で測定されます。衛星が高度 180 km (110 マイル) まで降下すると、大気圏で蒸発するまでに数時間しかありません。^{[6]地球の重力場から完全に解放され、惑星間空間に移動するために必要な}脱出速度は、約 11.2 km/s (40,300 km/h、25,100 mph) です。^[7]

用語と概念の一覧

高度: ここで使用されている用語では、地球の海洋の平均表面（平均海面）からの物体の高さを指します。
アナレマ: 天文学において、1 年間の天球上の太陽の位置の図を表すために使用される用語。8 の字によく似ています。
アポジー: 衛星または天体が地球から到達できる最も遠い地点であり、軌道速度が最小となる地点です。
偏心: 軌道が完全な円からどれだけ外れているかを表す尺度。離心率は、すべての円軌道、楕円軌道、放物線軌道、双曲線軌道に対して厳密に定義されます。
赤道面: ここで使用されているのは、地球の赤道から天球まで伸びる仮想の平面です。
脱出速度: ここで使用されているように、推進力のない物体が地球から無限に遠ざかるために必要な最小速度。この速度の物体は放物線軌道に入り、この速度を超えると双曲軌道に入ります。
インパルス: 力が作用する時間にわたる積分。単位は ( N · secまたはlb * sec )。
傾斜: 基準面と別の平面または軸との間の角度。ここで説明する意味では、基準面は地球の赤道面です。
軌道弧: 地球表面の任意の場所から見た空に浮かぶ想像上の弧。
軌道特性: その軌道を一意に指定するために必要なケプラー要素の 6 つのパラメータ。
軌道周期: ここで定義されているように、衛星が地球の周りを一周するのにかかる時間です。
近地点: 衛星または天体が地球に最も接近する地点であり、軌道速度が最大となる地点です。
恒星日: 天体が 360° 回転するのにかかる時間。地球の場合は 23 時間 56 分 4.091 秒です。
太陽時刻: ここで使用されているのは、日時計で測定された現地時間です。
速度: 特定の方向における物体の速度。速度はベクトルとして定義されるため、定義するには速度と方向の両方が必要です。

種類

以下は、さまざまな地心軌道の分類の一覧です。

高度の分類

大気圏外軌道（TAO）: 遠地点高度が100km（62マイル）を超え、近地点が定義された大気と交差する地球中心軌道。^[8]
低軌道（LEO）: 地球中心軌道の高度は、平均海抜160 km (100 マイル) から 2,000 km (1,200 マイル) の範囲です。160 km では 1 周に約 90 分かかり、円軌道の速度は 8 km/秒 (26,000 フィート/秒) です。
中軌道（MEO）: 遠地点高度が 2,000 km (1,200 マイル) から静止軌道高度 35,786 km (22,236 マイル) までの範囲にある地球中心軌道。
静止軌道（GEO）: 高度 35,786 km (22,236 マイル) の地球中心円軌道。軌道周期は 1恒星日で、地球の自転周期と一致します。速度は約 3 km/s (9,800 フィート/s) です。
高地球軌道（HEO）: 遠地点高度が静止軌道よりも高い地球中心軌道。高地球軌道の特殊なケースは、近地点高度が2,000 km（1,200マイル）未満の高度楕円軌道である。 ^[9]

傾斜の分類

傾斜軌道

赤道面を基準とした傾斜角が 0 ではない軌道。

極軌道: 毎回の公転で惑星の両極の上またはほぼ上を通過する衛星。したがって、傾斜角は 90度(またはそれに非常に近い) です。
極太陽同期軌道: 毎回同じ現地時間に赤道を通過するほぼ極軌道。通過するたびに影が同じになるため、画像撮影衛星に役立ちます。

偏心度の分類

円軌道

離心率が 0 で、経路が円を描く軌道。

楕円軌道

離心率が0 より大きく 1 より小さい軌道で、軌道が楕円を描く軌道。

ホーマン遷移軌道

2 つのエンジンの推進力を利用して宇宙船をある円軌道から別の円軌道へ移動させる軌道操作。この操作は、ウォルター・ホーマンにちなんで名付けられました。

静止トランスファー軌道（GTO）

近地点が低地球軌道(LEO)の高度にあり、遠地点が静止軌道の高度にある地球中心楕円軌道。

高度楕円軌道（HEO）

遠地点が 35,786 km を超え、近地点が低い (約 1,000 km) 地球中心軌道のため、遠地点付近での滞在時間が長くなります。

モルニヤ軌道: 傾斜角が63.4°、軌道周期が 1/2 恒星日(約 12 時間)の非常に楕円形の軌道。このような衛星は、ほとんどの時間を地球の指定された領域上で過ごします。
ツンドラ軌道: 傾斜角が 63.4° で、軌道周期が 1恒星日(約 24 時間) である高度に楕円形の軌道。このような衛星は、ほとんどの時間を地球の指定された領域上で過ごします。

双曲線軌道

離心率が 1 を超える「軌道」。物体の速度は脱出速度を超える値に達すると、地球の重力から逃れ、地球に対する速度で無限に移動し続けますが、ある有限値まで減速します。この速度は双曲過剰速度と呼ばれます。

脱出軌道: この軌道は、惑星間探査機を地球から遠ざけるために使用する必要があります。なぜなら、脱出速度を超えた分が、探査機の太陽中心軌道を地球の軌道から変更するからです。
軌道を捉える: これは脱出軌道の鏡像です。十分な速度で移動している物体は、地球に直接向かわずに地球に向かって移動し、加速します。軌道に乗せるための減速エンジンの推進力がない場合、近点後は脱出軌道をたどります。

放物線軌道: 離心率がちょうど 1 に等しい「軌道」。物体の速度は脱出速度に等しいため、物体は地球の重力から逃れ、速度 (地球に対して) が 0 に減速しながら移動を続けます。この速度で地球から打ち上げられた宇宙船は、地球から少し離れますが、同じ太陽中心軌道で太陽の周りを回ります。地球に接近する物体が放物線状の捕捉軌道をたどることは可能ですが、可能性は低いでしょう。ただし、速度と方向は正確でなければなりません。

方向の分類

順行軌道: 物体の赤道面への投影が地球の自転と同じ方向に地球の周りを回転する軌道。
逆行軌道: 物体の赤道面への投影が地球の自転と反対方向に地球の周りを回転する軌道。

静止軌道の分類

半同期軌道（SSO）

高度約20,200 km（12,600マイル）、軌道周期約12時間の軌道

静止軌道（GEO）

高度約 35,786 km (22,236 マイル) の軌道を周回します。このような衛星は、空にアナレンマ(図 8) を描くことになります。

静止軌道（GSO）

傾斜角がゼロの静止軌道。地上の観測者にとって、この衛星は空の固定点として表示されます。

クラーク軌道

静止軌道の別名。作家アーサー・C・クラークにちなんで名付けられました。

地球軌道秤動点: 地球を周回する物体の秤動点は西経105度と東経75度である。この2点には160機以上の衛星が集まっている。^[10]

超同期軌道: GSO/GEO 上の廃棄/保管軌道。衛星は西に漂います。
準同期軌道: GSO/GEO に近いがそれより低いドリフト軌道。衛星は東にドリフトします。
墓場軌道、廃棄軌道、ジャンク軌道: 衛星が運用終了時に移動する、静止軌道より数百キロメートル上の軌道。

特別分類

太陽同期軌道: 高度と傾斜角を組み合わせた軌道で、衛星が惑星表面の任意の地点を同じ地方太陽時で通過します。このような軌道では、衛星を常に太陽光の下に配置できるため、画像衛星、スパイ衛星、気象衛星に役立ちます。
月の軌道: 地球の月の軌道特性。平均高度 384,403 キロメートル (238,857 マイル)、楕円傾斜軌道。

非地心分類

馬蹄軌道: 地上の観測者には惑星を周回しているように見えるが、実際には惑星と同じ軌道を回っている軌道。小惑星3753 (Cruithne) および2002 AA ₂₉を参照。
弾道飛行: 宇宙船が軌道の高さに近づくが、それを維持する速度が不足している状態での打ち上げ。

高度における接線速度

参照

参考文献

^ ab 「Satellite Situation Report, 1997」NASAゴダード宇宙飛行センター。2000年2月1日。2006年8月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。2006年9月10日閲覧。
^ Hill, James VH (1999年4月)、「Getting to Low Earth Orbit」、Space Future、2012年3月19日時点のオリジナルよりアーカイブ、 2012年3月18日閲覧。
^ Shiner, Linda (2007年11月1日)、「X-15 Walkaround」、Air & Space Magazine 、 2009年6月19日閲覧。
^ Dimotakis, P.; et al. (1999年10月)、「100ポンドから低地球軌道(LEO):小型ペイロード打ち上げオプション」、The Mitre Corporation、pp. 1–39、2017年8月29日時点のオリジナルよりアーカイブ、 2012年1月21日閲覧。
^ Ghosh, SN (2000)、大気科学と環境、Allied Publishers、pp. 47–48、ISBN 978-8177640434
^ Kennewell, John; McDonald, Andrew (2011)、「衛星の寿命と太陽活動」、オーストラリア連邦気象局、宇宙天気支部、2011年12月28日時点のオリジナルよりアーカイブ、 2011年12月31日閲覧。
^ Williams, David R. (2010年11月17日)、「Earth Fact Sheet」、Lunar & Planetary Science、NASA、2010年10月30日時点のオリジナルよりアーカイブ、 2012年5月10日閲覧。
^ マクドウェル、ジョナサン (1998 年 5 月 24 日)。「ジョナサンの宇宙レポート」。大気圏外軌道 (TAO): 近地点高度が 80 km 未満だが 0 km を超える軌道飛行。エアロブレーキミッションや大気圏外機によって使用される可能性があり、また軌道飛行の一時的な段階にも使用される (例: OMS-2 以前の STS、遠地点で再起動しない場合のいくつかの失敗)。
^ ゴダード宇宙飛行センターによる地球中心軌道の定義 2010年5月27日アーカイブ、Wayback Machine
^ 制御不能の衛星が近隣の宇宙船を脅かす、ピーター・B・デ・セルディング、SPACE.com、2010年5月3日。2010年5月5日アーカイブ、Wayback Machine

外部リンク

軌道速度
中軌道
NASA.gov 2015-05-04 にWayback Machineでアーカイブされました
地球の周りにはもっと多くの衛星がある？そんなにおかしなことではない（2010年2月21日アーカイブ）
地球近傍小惑星 3753 Cruithne – 地球の好奇心旺盛な仲間
地球周回軌道小惑星 2002 AA29

[Goddard-1997-1] 「Satellite Situation Report, 1997」NASAゴダード宇宙飛行センター。2000年2月1日。2006年8月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。2006年9月10日閲覧。

[hill1999-2] Hill, James VH (1999年4月)、「Getting to Low Earth Orbit」、Space Future、2012年3月19日時点のオリジナルよりアーカイブ、 2012年3月18日閲覧。

[shiner20071101-3] Shiner, Linda (2007年11月1日)、「X-15 Walkaround」、Air & Space Magazine 、 2009年6月19日閲覧。

[dimotakis1999-4] Dimotakis, P.; et al. (1999年10月)、「100ポンドから低地球軌道(LEO):小型ペイロード打ち上げオプション」、The Mitre Corporation、pp. 1–39、2017年8月29日時点のオリジナルよりアーカイブ、 2012年1月21日閲覧。

[5] Ghosh, SN (2000)、大気科学と環境、Allied Publishers、pp. 47–48、ISBN 978-8177640434

[slsa-6] Kennewell, John; McDonald, Andrew (2011)、「衛星の寿命と太陽活動」、オーストラリア連邦気象局、宇宙天気支部、2011年12月28日時点のオリジナルよりアーカイブ、 2011年12月31日閲覧。

[williams2010-7] Williams, David R. (2010年11月17日)、「Earth Fact Sheet」、Lunar & Planetary Science、NASA、2010年10月30日時点のオリジナルよりアーカイブ、 2012年5月10日閲覧。

[8] マクドウェル、ジョナサン (1998 年 5 月 24 日)。「ジョナサンの宇宙レポート」。大気圏外軌道 (TAO): 近地点高度が 80 km 未満だが 0 km を超える軌道飛行。エアロブレーキミッションや大気圏外機によって使用される可能性があり、また軌道飛行の一時的な段階にも使用される (例: OMS-2 以前の STS、遠地点で再起動しない場合のいくつかの失敗)。

[nasa-9] ゴダード宇宙飛行センターによる地球中心軌道の定義 2010年5月27日アーカイブ、Wayback Machine

[10] 制御不能の衛星が近隣の宇宙船を脅かす、ピーター・B・デ・セルディング、SPACE.com、2010年5月3日。2010年5月5日アーカイブ、Wayback Machine