惑星間輸送ネットワーク

惑星間輸送ネットワーク( ITN ) ^[1]は、太陽系を通る重力によって決定される経路の集合であり、物体がたどるのにほとんどエネルギーを必要としません。ITN は、ラグランジュ点を特に利用して、ほとんどまたはまったくエネルギーを使わずに宇宙を通る軌道を変更できる場所として利用します。これらの点は、2 つの天体間の重力が等しい場所に存在するため、周回する物体がなくても物体が周回できるという特殊な性質があります。ネットワークに沿った輸送はエネルギーをほとんど消費しませんが、長い時間がかかります。^[2]

歴史

惑星間遷移軌道は、重力三体問題に対する解である。この問題は、一般には解析解が存在せず、数値解析近似によって対処される。しかし、少数の厳密解が存在し、最も有名なのは「ラグランジュ点」と呼ばれる 5 つの軌道である。これは、1 つの天体の質量が著しく大きい場合の円軌道の軌道解である。

惑星間輸送ネットワークを発見する鍵は、地球-太陽および地球-月のラグランジュ点付近の曲がりくねった経路の性質の調査でした。これらは1890 年代にアンリ・ポアンカレによって初めて調査されました。彼は、これらの点に向かう経路とそこからの経路は、ほとんどの場合、しばらくの間、その点の周りの軌道上に落ち着くことに気づきました。^{[3]実際には、その点に向かう経路とそこから遠ざかる経路は}無数にあり、そのすべてに到達するのにエネルギーの変化はほぼゼロです。プロットすると、ラグランジュ点の周りの軌道が一方の端にあるチューブを形成します。

これらの経路の導出は、1968年の数学者チャールズ・C・コンリーとリチャード・P・マクギーに遡ります。 ^{[4]日本初の月探査機} 「ひてん」は、地球と月の間の経路の性質に関する同様の洞察を利用して月周回軌道に投入されました。1997年以降、マーティン・ロー、シェーン・D・ロスらは、ジェネシス太陽風サンプルリターンや月と木星のミッションにこの技術を適用した数学的基礎を特定する一連の論文を執筆しました。彼らはこれを惑星間スーパーハイウェイ（IPS）と呼びました。^[5]

パス

結局のところ、ある点に通じる経路から、その点に戻る経路へ移行するのは非常に簡単です。軌道が不安定であるため、エネルギーをまったく消費せずに最終的にいずれかの出口経路に到達することになるため、これは理にかなっています。エドワード・ベルブルーノは、この効果を「弱い安定境界」^[6]または「あいまい境界」^[7]という用語で表現しました。

慎重に計算すれば、どの往路を望むかを選ぶことができる。これは役に立つ。なぜなら、これらの経路の多くは、数か月から数年以内に、地球の月や木星のガリレオ衛星の間など、宇宙の興味深い地点につながるからである。 ^[8]

地球から他の惑星への旅には、有人または無人の探査機には役立ちません。旅には何世代もかかるからです。しかし、すでに探査機を地球-太陽L ₁ポイントに移動させるために使用されており、太陽を研究するのに便利なポイントで、太陽風のサンプルを地球に持ち帰った最初のミッションであるジェネシスミッションを含む最近の多くのミッションで採用されています。^[9]このネットワークは太陽系のダイナミクスを理解する上でも重要です。^[10]^[11]シューメーカー-レビー第9彗星は木星との衝突経路でこのような軌道をたどりました。^[12]^[13]

さらなる説明

ITN は、カオス理論と、ラグランジュ点 (さまざまな物体間の重力がその場所にある物体の遠心力と釣り合う空間内の点) の周りの軌道につながる制限付き三体問題によって予測される一連の軌道経路に基づいています。恒星/惑星系や惑星/月系など、一方の物体がもう一方の物体の周りを公転する任意の 2 つの物体には、L ₁からL ₅で示される 5 つのそのような点があります。たとえば、地球-月L ₁点は、2 つの物体間の重力がその場所の軌道にある物体の遠心力と正確に釣り合う線上にあります。これらの 5 つの点はデルタ v要件が特に低く、可能な限りエネルギー転送が低いと思われます。これは、宇宙旅行の開始以来、軌道ナビゲーションを支配してきた一般的なホーマン遷移軌道よりもさらに低いものです。

これらの点では力が均衡しているが、最初の 3 つの点 (ある大きな質量 (たとえば恒星)とより小さな軌道を回る質量 (たとえば惑星) の間の線上にある点) は安定した均衡点ではない。地球 - 月間のL ₁点に配置された宇宙船が均衡点から少しでも離れると、宇宙船の軌道はL ₁点から離れる。システム全体が動いているので、宇宙船は実際には月に衝突せず、曲がりくねった経路をたどって宇宙に飛び出す。ただし、これらの各点の周囲にはハロー軌道と呼ばれる半安定軌道がある。2 つの点 ( L ₄とL ₅ )の軌道は安定しているが、 L ₁からL ₃のハロー軌道は数か月程度しか安定していない。

ラグランジュ点の周りの軌道に加えて、複数の質量の重力から生じる豊かなダイナミクスにより、低エネルギー転送としても知られる興味深い軌道が生まれます。^[4]たとえば、太陽-地球-月系の重力環境では、宇宙船は、多くの場合遠回りのルートではありますが、非常に少ない燃料で長距離を移動することができます^[要出典]。

ミッション

1978年に打ち上げられたISEE-3宇宙船は、ラグランジュ点の1つを周回するミッションに送られました。^{[14]宇宙船は、独特の}重力環境を利用して、燃料をほとんど使用せずに地球の周辺を飛行することができました。主なミッションが完了した後、ISEE-3は、地磁気尾部の飛行や彗星のフライバイなど、他の目標を達成しました。このミッションはその後、国際彗星探査機（ICE）と改名されました。

後にITNと呼ばれることになる技術を使った最初の低エネルギー伝送は、1991年の日本のひてん月探査ミッションの救出であった。^[15]

ITNの使用例としては、NASAの2001年から2003年にかけてのジェネシスミッションが挙げられます。このミッションは、太陽と地球を結ぶL1点_を2年以上周回して物質を収集した後、L2ラグランジュ_点に方向転換し、最終的にそこから地球へと帰還しました。^[1]

欧州宇宙機関の2003～2006年のSMART-1は、 ITNからの別の低エネルギー転送を使用しました。^[^要出典^]

より最近の例では、中国の宇宙船嫦娥2号がITN_を使用して月周回軌道から地球-太陽L2点まで移動し、その後小惑星4179トータティスを通過しました。^{[引用が必要]}

小惑星

小惑星39P/オテルマの木星軌道の外側から内側へ、そして再び外側へ向かう軌道は、これらの低エネルギー経路に沿っていると言われている。^[1]

参照

重力の鍵穴
重力アシスト
ハロー軌道
ヒル球
馬蹄軌道
惑星間宇宙飛行
月のサイクラー
火星サイクラー
軌道力学
グランドツアー計画は、NASAの175年間の惑星の配置を利用する計画で、最終的にはボイジャー計画となる。

参考文献

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さらに読む

Dynamical Systems, the Three-Body Problem, and Space Mission Design Archived 2018-09-11 at the Wayback Machine、Wang Sang Koon、Martin W. Lo、Jerrold E. Marsden、Shane D. Ross 著 (PDF 形式で入手可能な書籍 Archived 2018-09-11 at the Wayback Machine )。ISBN 978-0-615-24095-4
「制限された三体問題における円筒多様体とチューブダイナミクス」 - Shane D. Ross 博士論文
「惑星間輸送ネットワーク」 2013 年 10 月 20 日にWayback Machineにアーカイブされました。著者: Shane D. Ross、American Scientist、2006 年 5 月～6 月 (定期購読)
「天空の地下鉄に乗る」ニューサイエンティスト、2006年3月27日
「チューブルート」サイエンス、2005 年 11 月 18 日
「天体の流れをナビゲートする」サイエンスニュース、2005年4月18日ウェイバックマシンで2005年4月21日にアーカイブ
不変多様体とヒル領域の観点から見た四体問題における弾道月捕捉転送の動的メカニズム^{[ permanent dead link ‍ ]}エドワード・ベルブルーノ著

外部リンク

「次の出口 0.5 百万キロメートル」エンジニアリングアンドサイエンス、2002 年
「数学は天と原子を結びつける」、スペース・デイリー、2005 年 9 月 28 日
「宇宙に迷い込んだ小惑星」フィジカル・レビュー・フォーカス、2002年6月14日
惑星間輸送ネットワーク講義 (YouTube) シェーン・D・ロス、2004 年
天体力学におけるダイナミクスとカオス運動の捕捉：低エネルギー転送の構築 - ITN の側面の数学的分析、エドワードベルブルーノ(2004)
2007-10-08 ベルブルーノ氏による低エネルギー転送に関する音声インタビュー

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