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天文学や宇宙飛行において、月周回軌道（月中心軌道とも呼ばれる）とは、物体が地球の月の周りを回る軌道のことである。一般的に、これらの軌道は円形ではない。宇宙船が月から最も遠い位置（遠点）にあるとき、それは遠月、遠点、または遠点と呼ばれる。月に最も近い位置（近点）にあるとき、それは近月、近点、または近点と呼ばれる。これらは月の女神の名前や称号に由来する。
月周回軌道投入（LOI）は、月周回軌道に到達するために用いられる軌道投入マニューバである。[ 1 ]
低月周回軌道（LLO ）は、高度100 km（62マイル）以下の軌道です。これらの軌道の周期は約2時間です。[ 2 ]これらは月探査において特に重要ですが、重力摂動の影響を受けやすく、ほとんどが不安定なため、無期限に凍結した軌道として可能な軌道はごくわずかです。これらはLLOでの長期滞在に役立ちます。[ 2 ]
初期の月周回探査機の軌道をわずかに歪める重力異常により、月面下の質量集中部（「マスコン」と呼ばれる）が発見されました。これらのマスコンは、遠い昔に月面に衝突した大きな天体によって引き起こされました。 [ 2 ] [ 3 ]これらの異常は、鉛のおもりを垂直から約 3分の 度傾け（マスコンの方向を指す）、重力を 0.5 パーセント増加させる ほど大きいものです。 [ 2 ]これらは、数日の間に月の軌道を大きく変化させる可能性があります。これが、高度100 km (62 mi)より下のほとんどの LLOが不安定な理由です。[ 2 ]
1969年、初の有人月面着陸ミッションでは、摂動効果を補正する最初の試みが行われた。待機軌道は66×54海里（122×100km 、76×62マイル）で「円形化」され、月着陸船が司令船と帰還ランデブーする際には、公称の円形軌道である60海里（110km 、69マイル）になると予想されていた。しかし、その効果は大幅に過大評価されていた。ランデブー時の軌道は63.2×56.8海里（117.0×105.2km 、72.7×65.4マイル）と計算された。[ 4 ]
月面探査機に対するマスコンの影響の研究により、2001年に軌道傾斜角27°、50°、76°、86°の4つの凍結軌道が発見され、探査機は低軌道に無期限に留まることができることがわかった。 [ 2 ]アポロ15号のサブサテライトPFS-1とアポロ16号のサブサテライトPFS-2は、いずれもアポロサービスモジュールから放出された小型衛星であり、この発見に貢献した。PFS-1は最終的に28°の傾斜角で長期間の軌道に入り、1年半後にミッションを成功裏に完了した。PFS-2は特に不安定な11°の軌道傾斜角に置かれ、軌道上でわずか35日しか持たずに月面に墜落した。[ 2 ]
高度が500 ～ 20,000 km (310 ～ 12,430マイル)の月の軌道では、地球の重力によって軌道が摂動します。それより高い高度では、摂動した 2 体天体力学モデルでは不十分であり、3 体モデルが必要となります。[ 5 ]
月の丘の球体は半径60,000 km (37,000 mi)まで広がっているが、[ 6 ]地球の重力が十分に作用し、 690 km (430 mi)の距離で月の軌道を不安定にする。[ 7 ]
地球・月系のラグランジュ点は、ハロー軌道や遠方の逆行軌道など、月の近傍で安定した軌道を提供することができる。
月面の特定の領域には、いくつかのハロー軌道が残っています。これらは、月面中継衛星が月の裏側の地上局と通信するために使用できます。最初にこれを行ったのは、2019年の鵲橋中継衛星です。この衛星は、地球と月のL2点付近、月から約65,000 km（40,000マイル）の地点に配置されました。 [ 8 ]
2022年（ CAPSTONE）以降、ラグランジュ点も使用したほぼ直線的なハロー軌道が使用されており、月軌道ゲートウェイでも使用される予定です。
地球から月周回軌道に到達する主な方法は、直接遷移、低推力遷移、低エネルギー遷移の3つです。それぞれ3～4日、数ヶ月、2.5～4ヶ月かかります。[ 9 ]
ソビエト連邦は、1959年1月4日に、月（または地球外天体）付近に最初の宇宙船であるロボット探査機ルナ1号を送りました。 [ 12 ]ルナ1号は月の表面から6,000キロメートル（3,200海里、3,700マイル）以内を通過しましたが、月周回軌道には到達しませんでした。 [ 12 ] 1959年10月4日に打ち上げられたルナ3号は、月周回自由帰還軌道を完了した最初のロボット宇宙船でした。これはまだ月周回軌道ではなく、月の裏側を回って地球に戻る8の字軌道でした。この探査機は、月の表面の裏側の最初の写真を提供しました。[ 12 ]
ルナ10号は、1966年4月に実際に月と地球外天体を周回した最初の宇宙船となった。[ 13 ] 1966年5月30日まで、微小隕石のフラックスと月の環境を研究した。 [ 13 ]後継ミッションであるルナ11号は、1966年8月24日に打ち上げられ、月の重力異常、放射線、太陽風の測定を研究した。
月を周回した最初の米国宇宙船は、1966年8月14日のルナ・オービター1号でした。 [ 14 ]最初の軌道は楕円軌道で、遠月距離は1,008海里（1,867 km、1,160マイル）、近月距離は102.1海里（189.1 km、117.5マイル）でした。[ 15 ]その後、適切な画像を取得するために、軌道は170海里（310 km、200マイル）付近で円形化されました。このような宇宙船が13か月の間に5機打ち上げられ、すべて月面の地図作成に成功し、主にアポロ計画の着陸地点を探す目的で使用されました。[ 14 ]
アポロ計画の司令船/機械船(CSM) は、月着陸船(LM) が着陸する間、月周回軌道にとどまりました。CSM/LM はまず楕円軌道に入り、公称で170 × 60 海里 (310 × 110 km、196 × 69マイル)でしたが、その後、約60 海里 (110 km、69マイル)の円形周回軌道に変更されました。軌道周期は遠点と近点の合計によって変化し、CSM の場合は約 2 時間でした。LM は、降下軌道挿入 (DOI) 噴射で近点を約50,000 フィート (15 km、8.2海里)まで下げて着陸シーケンスを開始しました。これは、高さ20,000 フィート (6.1 km、3.3海里)に達する月の山に衝突しないように選択されたものです。 2回目の着陸ミッションの後、アポロ14号では、着陸船の燃料をより多く動力降下のために節約するため、司令船の燃料を使用してDOI燃焼を行い、その後、着陸船が着陸した後に近点を円軌道に戻すように手順が変更された。 [ 16 ]
太陽同期月軌道は、軌道面が時間の経過とともに太陽に対してほぼ同じ向きを維持する、提案されている月軌道の一種です。これを行うには、軌道面が地球の太陽同期軌道と同様に、1日に約1°ずつ移動する必要があります。[ 17 ]
地球の太陽同期軌道とは異なり、月の太陽同期軌道は自然には発生しない。月の重力場は非常に不均一であるため、そのような軌道を維持するには一般的に能動的な制御が必要となる。地球と太陽の重力も第三体摂動を通して影響を与える。[ 18 ]
月のマスコンはほとんどの低月軌道を不安定にする... 衛星が上空 50 マイルまたは 60 マイルを通過すると、マスコンが衛星を前、後ろ、左、右、または下に引っ張ります。引っ張る正確な方向と大きさは、衛星の軌道によって異なります。軌道を修正するための搭載ロケットによる定期的なブーストがない場合、低月軌道 (約 60 マイルまたは 100 km 未満) に放出されたほとんどの衛星は、最終的に月に衝突します。... [宇宙船が低月軌道に無期限に留まることができる「凍結軌道」がいくつかあります。それらは27°、50°、76°、86°の4つの傾斜角で発生し、最後の86°は月の極のほぼ真上に位置する。比較的長寿命だった
アポロ15号
の副衛星
PFS-1
の軌道傾斜角は28°で、凍結した軌道の1つの傾斜角に近いことが判明したが、不運なPFS-2はわずか11°の傾斜角に呪われていた。
月のヒル球の半径は6万キロメートルで、地球との距離の約6分の1です。天体の平均距離と質量データ（前述の引用の検証用）については、Williams, David R. (20 December 2021). "Moon Fact Sheet" . NASA.gov . Greenbelt, MD: NASA Goddard Space Flight Center . 2023年7月23日取得 を参照してください。