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重力アシスト、重力アシストマニューバ、スイングバイ、または軌道力学における重力スイングバイとは、惑星やその他の天体の相対運動（例えば太陽の周回軌道）と重力を利用して宇宙船の軌道と速度を変更する宇宙飛行フライバイの一種であり、通常は推進剤を節約し、コストを削減することを目的としています。
重力アシストは、宇宙船を加速させる、つまり速度を増減させたり、軌道を変更したりするために使用できます。この「アシスト」は、宇宙船を引っ張る重力体の運動によって提供されます。 [ 1 ]通過する宇宙船の運動エネルギーと線運動量の増減は、ニュートンの第三法則に従って、重力体によって相応に増減されます。重力アシスト操作は、1959年にソ連の探査機ルナ3号が地球の月の裏側を撮影した際に初めて使用され、マリナー10号以降の惑星探査機によって使用され、木星と土星への2つのボイジャー探査機の有名なフライバイも含まれます。
惑星の重力アシストは、惑星の重力圏に出入りすることで、宇宙船の速度（太陽に対する相対速度）を変化させます。両天体の運動エネルギーの合計は一定のままです（弾性衝突を参照）。したがって、スイングバイ操作を使用して、宇宙船の軌道と太陽に対する速度を変更できます。[ 3 ]
地上での類似例として、走行中の列車の前面にテニスボールが当たって跳ね返る場合が挙げられます。列車のプラットフォームに立って、時速 50 km で接近してくる列車に向かって時速 30 kmでボールを投げると 想像してください。列車の運転手は、ボールが 時速 80 km で接近し、 列車の前面に弾き返った後、時速 80 km で離れていくのを目にします。しかし、列車の動きのため、その離れる速度は プラットフォームに対して時速 130 km になります。ボールは列車の速度の 2 倍の速度を自身の速度に加えているのです。[ 4 ]
このアナロジーを宇宙に当てはめると、惑星の基準系では、宇宙船は惑星に対して垂直方向の速度vを持っています。スイングバイが発生した後、宇宙船は到着した方向に対して 90 度のコースで出発します。速度は依然としてvですが、水平方向です。[ 2 ]太陽の基準系では、惑星は水平方向の速度 v を持ち、ピタゴラスの定理を使用すると、宇宙船は最初に合計速度√ 2 vを持ちます。宇宙船が惑星を離れた後、速度はv + v = 2 vとなり、約 0.6 v増加します。[ 2 ]
この単純化された例は、軌道に関する詳細情報がなければこれ以上洗練させることはできませんが、宇宙船が双曲線を描く軌道を描いて飛行する場合、エンジンを噴射することなく惑星から反対方向に離脱することが可能です。これは、宇宙船が経験しうる多くの軌道と速度増加の形態の一つにすぎません。
この説明は、エネルギーと運動量の保存則に反し、宇宙船に何もないところから速度を与えているように見えるかもしれませんが、関係する力学の全体像を把握するには、宇宙船が惑星に及ぼす影響も考慮に入れる必要があります。宇宙船が得る線運動量は、惑星が失う線運動量と大きさが等しいため、宇宙船は速度を得て、惑星は速度を失います。しかし、宇宙船に比べて惑星の質量が非常に大きいため、結果として生じる速度の変化は、天文学的に短い時間スケールで他の天体との相互作用によって惑星が受ける軌道摂動と比較しても、無視できるほど小さいです。たとえば、1トンは惑星間探査機の典型的な質量ですが、木星の質量はほぼ2× 10²⁴トンです。したがって、1トンの宇宙船が木星を通過すると、理論的には、宇宙船が太陽に対して1km/sの速度を得るごとに、惑星の軌道速度は約5×10⁻²⁵km / s失われます。実際的な目的においては、計算において地球への影響は無視できる。[ 5 ]
宇宙空間における遭遇をリアルに描写するには、3次元を考慮する必要がある。上記と同様の原理が適用されるが、惑星の速度を宇宙船の速度に加えるには、以下に示すようにベクトル加算が必要となる。
軌道の可逆性により、重力スイングバイを利用して宇宙船の速度を落とすことも可能です。マリナー10号とメッセンジャーはどちらも、水星に到達するためにこの操作を行いました。
重力アシストだけでは得られない速度が必要な場合、近点（惑星に最も接近する地点）付近でのロケット噴射が燃料消費量を最小限に抑えます。ロケット噴射によって得られる速度変化（Δv）は常に一定ですが、運動エネルギーの変化は噴射時の機体の速度に比例します。したがって、噴射が機体の最大速度（近点）で行われたときに、最大の運動エネルギーが得られます。この手法については、オーベルト効果でより詳しく説明されています。
1938年に発表されたが、日付は1918～1919年となっている論文「構築するために読む人々へ」（「Тем, кто будет читать, чтобы строить」）[6]の中で、ユーリ・コンドラチュクは、2つの惑星間を移動する宇宙船は、2つの惑星の衛星の重力を利用することで、軌道の開始時と終了時に加速できると提案した。重力アシストに関する彼の原稿の部分は、その後発展することなく、1960年代まで出版されなかった。1925 年の論文「ジェット推進による飛行の問題: 惑星間飛行」 ( 「Проблема полета при помощи реактивных аппаратов: межпланетные полеты」 )では次のように述べている[ 8 ]フリードリヒ・ザンダーは、重力補助の概念の背後にある物理学と、太陽系の惑星間探査におけるその可能性について深い理解を示しました。[ 7 ]
イタリアのエンジニア、ガエターノ・クロッコは、1956年に複数の重力アシストを考慮した惑星間航行を初めて計算した。[ 7 ]
重力アシスト操作は、1959年にソ連の探査機ルナ3号が月の裏側を撮影した際に初めて使用されました。この操作は、ケルディシュ応用数学研究所のムスティスラフ・ケルディシュの指導の下で行われた研究に基づいています。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
1961年、 NASAのジェット推進研究所（JPL）で働いていたUCLAの大学院生マイケル・ミノヴィッチは、後にゲイリー・フランドロの惑星グランドツアーのアイデアに使われることになる重力アシスト技術を開発した。[ 13 ] [ 14 ]
1964年の夏、NASA JPLでゲイリー・フランドロは太陽系の外惑星を探査する技術を研究する任務を与えられた。この研究で彼は外惑星（木星、土星、天王星、海王星）の珍しい一直線を発見し、重力アシストを利用してミッション期間を40年から10年未満に短縮する惑星探査計画「プラネタリー・グランド・ツアー」を考案した。[ 15 ]
地球から内惑星へ向かう宇宙船は、太陽に向かって落下しているため相対速度が増加し、地球から外惑星へ向かう宇宙船は、太陽の近傍から離れているため速度が減少する。
ロケットエンジンは確かに宇宙船の速度を増減させるために使用できます。しかし、ロケットの推力には推進剤が必要であり、推進剤には質量があります。そして、速度のわずかな変化（Δv、または「デルタv」と呼ばれ、デルタ記号は変化を表し、「v」は速度を表します）でさえ、地球の重力圏を脱出するために必要な推進剤の必要量を大幅に増加させます。これは、主段エンジンが追加の推進剤を持ち上げるだけでなく、その追加の推進剤を持ち上げるために必要な量を超えて、さらにその追加の推進剤を持ち上げる必要があるためです。宇宙船に必要なデルタvの増加に伴い、離陸に必要な質量は指数関数的に増加します。
宇宙空間に燃料を運ぶには追加の燃料が必要となるため、宇宙ミッションは「デルタV予算」と呼ばれる厳しい推進剤「予算」に基づいて設計されます。デルタV予算とは、地球を離れた後に加速、減速、外部からの振動（粒子やその他の外部効果によるもの）に対する安定化、または方向転換に使用できる推進剤の総量であり、追加の推進剤を入手できない場合に使用されます。ミッション全体はこの能力の範囲内で計画されなければなりません。したがって、燃料を燃焼させる必要のない速度および方向転換方法は、宇宙空間に持ち込まれた限られた量の燃料を消費することなく、追加の操縦能力とコースの改善を可能にするため有利です。重力アシスト操縦は、推進剤を消費することなく宇宙船の速度を大きく変化させることができ、かなりの量の推進剤を節約できるため、燃料節約に有効な技術です。
重力アシスト航法を用いる際の実際的な主な制約は、惑星などの大きな天体が特定の目的地への航行を可能にする適切な位置にあることが稀であるという点です。例えば、1970年代後半に始まったボイジャー計画は、木星、土星、天王星、海王星が一直線に並んだ「グランドツアー」と呼ばれる現象によって可能になりました。このような天体の並びは、22世紀半ばまで再び起こることはありません。これは極端な例ですが、それほど野心的ではないミッションであっても、惑星が軌道上の不適切な場所に散らばっている年は必ずあります。
もう一つの制約は、惑星への最接近距離です。速度変化の大きさは、宇宙船の接近速度と、最接近地点における惑星の脱出速度に依存します。接近距離が惑星の中心に近づくほど、達成可能な速度変化は大きくなります。利用可能な惑星に大気がある場合は、接近距離に制限が設けられます。月のように大気を持たない天体の場合、最接近距離は軌道が地表と交差しないという制約によって決まります。大気を持つ惑星の場合、宇宙船が大気圏深くまで進むと、抗力によって失われるエネルギーが惑星の速度から得られるエネルギーを上回る可能性があります。（一方、この抗力は、エアロブレーキと呼ばれる別のデルタV操作に利用できます。）また、宇宙船が大気圏を通過する際に空力揚力を利用するという理論的な提案もあります。エアログラビティアシストと呼ばれるこの操作は、重力のみの場合よりも大きな角度で軌道を曲げることができ、それによってエネルギーの獲得量を増やすことができます。[ 16 ]
太陽自体を利用した惑星間スイングバイは、太陽が太陽系全体に対して静止しているため不可能です。しかし、太陽付近での推力には、オーベルト効果と呼ばれる関連効果があります。これは宇宙船の推力を飛躍的に増大させる可能性を秘めていますが、宇宙船の耐熱性によって制限されます。惑星の重力アシストの場合、最接近付近で加える推力（「動力付き近点マニューバ」）によって、重力スイングバイ効果にオーベルト効果が加わり、どちらか一方の効果単独よりも大きな軌道速度の変化を生み出すことができます。
回転するブラックホールは、そのスピン軸が正しい方向に揃っていれば、追加の助けとなる可能性がある。一般相対性理論は、大きな回転する質量がフレームドラッギングを引き起こすと予測している。つまり、物体の近くでは、空間自体がスピンの方向に引きずられる。通常の回転する物体は、この効果を生み出す。太陽の周りのフレームドラッギングを測定する試みは明確な証拠を生み出していないが、グラビティプローブBが行った実験では、地球によって引き起こされるフレームドラッギング効果を検出した。[ 17 ]一般相対性理論は、回転するブラックホールはエルゴスフィアと呼ばれる空間領域に囲まれていると予測している。この領域内では、空間自体がブラックホールのスピンと同じ方向に光速で引きずられるため、（ブラックホールのスピンに対して）静止することは不可能である。ペンローズ過程はエルゴスフィアからエネルギーを得る方法を提供する可能性があるが、そのためには宇宙船がブラックホールに「バラスト」を投下する必要があり、宇宙船は「バラスト」をブラックホールに運ぶためにエネルギーを消費しなければならない。
重力アシスト操作は、月の裏側を撮影するために、 1959年にルナ3号で初めて試みられました。 [ 18 ]衛星は速度を上げませんでしたが、軌道が変更され、写真の送信に成功しました。[ 19 ]
NASAのパイオニア10号は、1972年に打ち上げられた宇宙探査機で、木星への最初のミッションを完了しました。[ 20 ]その後、パイオニア10号は、太陽系を離れるために必要な脱出速度を達成した5つの人工物体のうちの最初のものとなりました。1973年12月、パイオニア10号宇宙船は、重力スイングバイ効果を使用して太陽系を離れる脱出速度に達した最初の宇宙船となりました。[ 21 ] [ 22 ]
パイオニア11号は、小惑星帯、木星と土星の周囲の環境、太陽風、宇宙線を研究するために、1973年にNASAによって打ち上げられました。[ 20 ]これは、土星に遭遇した最初の探査機であり、小惑星帯を通過した2番目の探査機であり、木星に接近した2番目の探査機でした（1974年12月3日）。土星に到達するために、探査機は木星の重力アシストを受けました。[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]
マリナー10号探査機は、重力スイングバイ効果を利用して別の惑星に到達した最初の宇宙船であり、1974年2月5日に金星を通過し、水星を探査する最初の宇宙船となった。[ 26 ]
ボイジャー1号は1977年9月5日にNASAによって打ち上げられました。木星と土星の周りをスイングバイすることで、太陽の重力から脱出するためのエネルギーを得ました。 [ 4 ] 2026年7月26日UTC [更新]時点で48年10ヶ月21日間運用されているこの宇宙船は、現在もディープスペースネットワークと通信して定期的なコマンドを受信し、地球にデータを送信しています。リアルタイムの距離と速度データはNASAとJPLによって提供されています[ 27 ] 。 2020年1月12日時点で地球から152.2AU （228億km 、141億マイル）の距離にあるこの宇宙船は、地球から最も遠い人工物です[ 27 ] 。 [ 28 ]
ボイジャー2号は、外惑星を研究するためにNASAによって1977年8月20日に打ち上げられた。その軌道は、双子の探査機よりも木星と土星に到達するのに時間がかかったが、天王星と海王星とのさらなる遭遇を可能にした。 [ 29 ]
ガリレオ探査機は1989年にNASAによって打ち上げられ、木星への航路で3回の重力アシストを受けた。1回は金星（1990年2月10日）、2回は地球（1990年12月8日と1992年12月8日）によるものである。探査機は1995年12月に木星に到達した。重力アシストにより、ガリレオは243イダと951ガスプラという2つの小惑星のフライバイも行った。[ 30 ] [ 31 ]
1990年、NASAは太陽の極域を研究するためにESAの宇宙船ユリシーズを打ち上げた。すべての惑星は太陽の赤道とほぼ一直線上に公転している。そのため、太陽の極上を通過する軌道に入るには、宇宙船は地球の太陽周回軌道から受け継いだ速度をなくし、極から極までの平面で太陽を周回するのに必要な速度を得る必要があった。これは1992年2月8日に木星の重力アシストによって達成された。[ 32 ] [ 33 ]
MESSENGERミッション（2004年8月打ち上げ）は、水星周回軌道に入る前に速度を落とすために重力アシストを多用した。MESSENGERミッションは、地球を1回、金星を2回、水星を3回フライバイした後、2011年3月に燃料が残っている状態で軌道投入が可能なほど低い速度で水星に到着した。フライバイは主に軌道操作であったが、それぞれが重要な科学的観測の機会を提供した。[ 34 ] [ 35 ]
カッシーニ・ホイヘンス探査機は1997年10月15日に地球から打ち上げられ、その後、金星（1998年4月26日と1999年6月21日）、地球（1999年8月18日）、木星（2000年12月30日）への重力アシストフライバイが行われた。土星への通過には6.7年かかり、探査機は2004年7月1日に到着した。[ 36 ] [ 37 ]その軌道は2019年に「これまでで最も複雑な重力アシスト軌道」と呼ばれた。[ 38 ]
カッシーニ探査機は 土星の周回軌道に入った後、タイタンの重力アシストを複数回利用して軌道の傾斜角を大きく変化させ、赤道面付近にとどまるのではなく、環の面から大きく傾いた軌道を描くようにしました。[ 39 ]タイタンとの典型的な遭遇では探査機の速度が0.75 km/s変化し、探査機は127回タイタンに遭遇しました。これらの遭遇により、近点と遠点の距離が広範囲にわたり、太陽に対する軌道の向きが様々で、軌道傾斜角が0°から74°まで変化する周回軌道を実現しました。タイタンへの複数回のフライバイにより、カッシーニはレアやエンケラドゥスなどの他の衛星にもフライバイすることができました。
2004年3月に打ち上げられたロゼッタ探査機は、4回の重力アシスト操作（火星表面からわずか250kmの地点での1回と、地球からの3回のアシストを含む）を用いて、太陽系内を加速した。これにより、小惑星21ルテティアと2867シュテインをフライバイし、最終的には2014年8月のランデブー地点で67P/チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星の速度に合わせることができた。[ 40 ] [ 41 ]
ニューホライズンズは2006年にNASAによって打ち上げられ、 2015年に冥王星に到達した。2007年には木星で重力アシストを行った。 [ 42 ] [ 43 ]
ジュノー探査機は2011年8月5日（UTC）に打ち上げられた。軌道は地球の重力アシストによる速度ブーストを利用しており、2011年8月5日の打ち上げから2年後の2013年10月に地球フライバイによって実現された。[ 44 ]このようにして、ジュノーはわずか5年で最終目標である木星への軌道（および速度）を変更した。
2018年にNASAによって打ち上げられたパーカー・ソーラー・プローブには、7回の金星重力アシストが計画されている。重力アシストのたびに、パーカー・ソーラー・プローブは徐々に太陽に近づいていく。2022年現在、探査機は7回のアシストのうち5回を完了している。パーカー・ソーラー・プローブのミッションは、これまでの宇宙ミッションの中で最も太陽に接近するミッションとなる。[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] 2024年11月6日に完了したミッションの最後の重力アシストマニューバにより、2024年12月24日に太陽表面からわずか380万マイルの距離まで接近する最後の3回の太陽フライバイの準備が整った（図を参照）。[ 48 ]
ソーラーオービターは2020年にESAによって打ち上げられました。2021年11月まで続く初期巡航フェーズでは、ソーラーオービターは金星の周りで2回、地球の周りで1回の重力アシストマヌーバを行い、探査機の軌道を変更して太陽系の最も内側の領域へと誘導しました。最初の太陽接近は2022年3月26日に、地球から太陽までの距離の約3分の1の地点で行われました。[ 49 ]
ベピコロンボは、欧州宇宙機関（ESA）と宇宙航空研究開発機構（JAXA）による水星探査ミッションです。2018年10月20日に打ち上げられました。地球で1回、金星で2回、水星で6回、重力アシスト技術を使用します。2026年に到着予定です。ベピコロンボは、この操縦方法の先駆的な思想家であったジュゼッペ（ベピ）コロンボにちなんで名付けられました。 [ 50 ]
ルーシーは2021年10月16日にNASAによって打ち上げられました。2022年10月16日に地球から1回の重力アシストを受け[ 51 ]、小惑星帯の小惑星152830ディンキネシュをフライバイした後、 2024年にもう1回受ける予定です[ 52 ]。 2025年には、内側の小惑星帯の小惑星52246ドナルドヨハンソンをフライバイします[ 53 ]。 2027年には、 L4トロヤ群（木星の約60°前方を公転するギリシャの小惑星群）に到着し、そこで4つのトロヤ群小惑星、 3548エウリュバテス（衛星を含む）、 15094ポリメレ、 11351レウコス、 21900オルスをフライバイします。 [ 54 ]これらのフライバイの後、ルーシーは2031年に地球に戻り、 L 5トロヤ雲（木星の約60°後方にあるトロヤ群）への重力アシストを再び受け、2033年に衛星メノエティウスと共に二重トロヤ617パトロクロスを訪れる予定です。
ヨーロッパ・クリッパー
NASAが2024年10月14日に打ち上げたエウロパ・クリッパー[ 55 ]は、木星への航行中に火星と地球の重力アシストを利用します。2025年3月1日に火星から最初の重力アシストを受け[ 56 ]、2026年12月3日のフライバイ時に地球から2回目の重力アシストを受ける予定です[ 56 ]。探査機は2030年4月に木星周回軌道に入り、ミッション期間中にエウロパを複数回フライバイする予定です[ 57 ] 。
名前は変更されたものの、ボイジャーは多くの点でグランドツアーのコンセプトのままであったが、グランドツアー（TOPS）宇宙船ではなかった。
ボイジャー2号
は1977年8月20日に打ち上げられ、続いて1977年9月5日に
ボイジャー1号
が打ち上げられた。打ち上げ順序を逆にしたのは、天王星、海王星、そしてその先へのグランドツアーミッションを実行する可能性を残しておくためであった。
タイタン・ケンタウルスの最大性能で加速された
ボイジャー2号は、かろうじて旧グランドツアー軌道に追いつき、天王星に到達することができた。2週間後、
ボイジャー1号
はより容易でずっと速い軌道で出発し、木星と土星のみを訪れる予定だった。
ボイジャー1号は
ボイジャー2号より4か月早く木星に到着し、その後9か月早く土星に到着する予定だった。したがって、2番目に打ち上げられた宇宙船は
ボイジャー1号
であり、
ボイジャー2号
ではなかった。2機のボイジャーは9ヶ月の間隔を置いて土星に到着する予定だったため、
ボイジャー1号が
何らかの理由で土星探査の目的を達成できなかった場合でも、
ボイジャー2号は
目標を再設定して土星探査を行うことが可能だった。ただし、その代償として、その後の天王星や海王星への探査は不可能となる。
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