軌道維持

天体力学において、軌道保持とは、宇宙船を他の宇宙船または天体から一定の距離に保つことである。アクティブな宇宙船をターゲットと同じ軌道に保つには、スラスタ噴射による一連の軌道操作が必要である。多くの低軌道衛星では、非ケプラーの力、すなわち地球の重力と均質球の重力の偏差、太陽/月の重力、太陽輻射圧、空気抵抗の影響を打ち消す必要がある。ラグランジュ点の周りのハロー軌道にある宇宙船の場合、軌道保持はさらに重要になる。そのような軌道は不安定であり、スラスタ噴射による能動的な制御がなければ、位置または速度のわずかな偏差でも宇宙船は軌道から完全に外れてしまうからである。^[1]

地球の重力場が均質球の重力場から逸脱することや、太陽と月の重力は、一般に軌道面を乱す。太陽同期軌道の場合、地球の扁平率によって生じる軌道面の歳差運動は、ミッション設計の一部である望ましい特徴であるが、太陽と月の重力によって生じる傾斜角の変化は望ましくない。静止宇宙船の場合、傾斜角は、非操縦アンテナによって宇宙船を追跡できる程度に小さく抑える必要があるため、太陽と月の重力によって生じる傾斜角の変化は、かなり大きな燃料の消費によって相殺されなければならない。

低軌道上の宇宙船の場合、大気抵抗の影響を補正する必要があり、再突入を避ける必要がある場合が多い。また、軌道を地球の自転と正確に同期させる必要があるミッションの場合、軌道周期の短縮を防ぐためにこれが必要となる。

太陽放射圧は一般に離心率（すなわち離心率ベクトル）を乱す。軌道摂動解析（宇宙船）を参照。ミッションによっては、これを積極的に制御して対抗する必要がある。静止宇宙船の場合、離心率は、非操舵アンテナで宇宙船を追跡できる程度に小さく保たれなければならない。また、固定地上軌道での非常に反復的な軌道が望ましい地球観測宇宙船の場合、離心率ベクトルは可能な限り固定に保つべきである。この補正の大部分は固定軌道設計を使用することで行うことができるが、微調整制御にはスラスタが必要になることが多い。

非常に低い軌道にある宇宙船の場合、軌道上昇操作を定期的に実行しないと、大気抵抗が十分に強くなり、ミッションの予定終了前に再突入が発生します。

一例として、国際宇宙ステーション(ISS) が挙げられます。ISS の運用高度は、地球表面から 400 ～ 430 km (250 ～ 270 マイル) です。大気抵抗により、宇宙ステーションは軌道エネルギーを絶えず失っています。この損失は最終的にステーションの再突入につながりますが、これを補うために、時々より高い軌道に再ブーストする必要があります。軌道高度の選択は、空気抵抗に対抗するために必要な平均推力と、ペイロードや人をステーションに送るのに必要な 推進力との間のトレードオフです。

高度255km（後に235kmに縮小）を周回するGOCEは、イオンスラスタを使用して最大20mNの推力を提供し、約1m2の前面面積の抗力を補った^。 [ ^2]

地球観測宇宙船は、通常、地表から約 700 ～ 800 km の高度で運用されるため、空気抵抗は非常に小さく、空気抵抗による再突入は問題になりません。しかし、地上軌道を固定するために軌道周期を地球の自転と同期させる必要がある場合、この高高度でのわずかな空気抵抗は、軌道に接する方向のスラスタ噴射という形での軌道上昇操作によっても相殺される必要があります。これらの操作は非常に小さく、通常、デルタ vは数 mm/s 程度です。固定軌道設計が使用されている場合、これらの非常に小さな軌道上昇操作で、離心率ベクトルを制御するのに十分です。

地上の軌道を一定に保つには、太陽/月の重力による傾斜角の変化を補正するために、平面外の操縦も必要です。これは、軌道面に対して直交するスラスタ噴射によって実行されます。太陽に対して一定の形状を持つ太陽同期宇宙船の場合、太陽の重力による傾斜角の変化は特に大きくなります。傾斜角を一定に保つには、年間 1～2 m/s 程度のデルタ v が必要になる場合があります。^[要出典]

静止軌道宇宙船の場合、軌道極を年間0.85度変動させる月/太陽の重力の影響を補正するために、軌道面と直交するスラスタ噴射を実行する必要がある。^[3]この変動を補正して赤道面への傾斜角を維持するために必要なデルタvは、年間45 m/s程度になる。静止軌道保持のこの部分は南北制御と呼ばれている。^[4]

東西制御は、スラスタ噴射を軌道の接線方向に行うことによって行われる軌道周期と離心率ベクトルの制御です。これらの噴射は、軌道周期を地球の自転と完全に同期させ、離心率を十分に小さく保つように設計されています。軌道周期の摂動は、地球の南北軸に対する不完全な回転対称性（地球赤道の楕円率と呼ばれることもあります）によって生じます。離心率（つまり離心率ベクトル）は、太陽放射圧によって摂動されます。この東西制御に必要な燃料は、南北制御に必要な燃料よりもはるかに少ないです。

燃料がほとんど残っていない静止宇宙船の寿命を延ばすために、南北制御を中止し、東西制御のみを継続することもあります。自転する地球の観測者から見ると、宇宙船は 24 時間周期で南北に移動します。この南北移動が大きくなりすぎると、宇宙船を追跡するために操縦可能なアンテナが必要になります。この例^{[いつ? ]は}アルテミスです。^[要出典]

重量を節約するために、静止軌道衛星には最も燃料効率の高い推進システムを備えることが極めて重要です。そのため、ほぼすべての最新衛星はプラズマスラスタやイオンスラスタなどの高比推力システムを採用しています。

宇宙船の軌道は、ラグランジュ点（秤動点とも呼ばれる）の周りを周回することも可能です。ラグランジュ点とは、太陽系の2つの大きな天体との関係で存在する5つの平衡点です。たとえば、太陽地球系には5つの平衡点があり、地球月系にも5つの平衡点があります。宇宙船は、軌道維持に必要な最小限の燃料でこれらの点の周りを周回することができます。このような目的で使用されている2つの軌道は、ハロー軌道とリサージュ軌道です。^[5]

重要なラグランジュ点の 1 つは地球-太陽L ₁であり、およそ 2000 年以来、3 つの太陽物理学ミッションが L1 を周回しています。ステーション キーピング推進剤の使用量は非常に少なくて済むため、他の宇宙船システムが運用されていれば、ミッションを数十年にわたって継続できる可能性があります。3 つの宇宙船、 Advanced Composition Explorer (ACE)、Solar Heliospheric Observatory (SOHO)、Global Geoscience WIND衛星は、それぞれ年間のステーション キーピング推進剤要件が約 1 m/s 以下です。^[5] 地球-太陽L ₂ (地球から反太陽方向に約 150 万 km) は、もう 1 つの重要なラグランジュ点であり、ESA の ハーシェル宇宙望遠鏡は2009 年から 2013 年にかけてリサジュー軌道でこの地点を周回しましたが、その時点で宇宙望遠鏡の冷却剤が不足しました。宇宙船をステーション キーピング軌道に維持するために、小規模なステーション キーピング軌道操作がおよそ毎月実行されました。^[1]

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、地球-太陽L2のハロー軌道を維持するために推進剤を使用するが、これは設計寿命の上限であり、10年間分の推進剤を搭載できるように設計されている。^{[6]しかし、}アリアン5による打ち上げ後の軌道の精度により、予想よりも多くのヒドラジン推進剤が搭載残され、望遠鏡の寿命が2倍になる可能性があると考えられている。 ^{[7] [8]}

キャップストーン探査機と計画中の月ゲートウェイは、地球-月L2ラグランジュ点の周りの9:2の朔望共鳴近直線ハロー軌道（NRHO）に沿って配置されています。^{[9] [10] [11]}

• デルタv予算
• 軌道摂動解析
• リブースト
• 遠隔操作回収システム（他の宇宙船に取り付けてその軌道を加速または変更するためのロボット装置）

• 宇宙生物学、天文学、宇宙飛行の百科事典におけるステーションキーピング
• XIPS キセノンイオン推進システム
• ジュール・ヴェルヌがISSの軌道を向上 ジュール・ヴェルヌがISSの軌道を向上（欧州宇宙機関のレポート）