衛星

人工衛星の可能性に関する最初の発表された数学的研究は、アイザック・ニュートンが自然衛星の運動を説明するために考案した思考実験であるニュートンの砲弾であり、彼の著書『自然哲学の数学的原理』（1687年）に収録されている。衛星が軌道に打ち上げられる様子を描いた最初のフィクションは、エドワード・エヴェレット・ヘイルの短編小説「レンガの月」（1869年）である。^{[ 3 ] [ 4 ]}このアイデアは、ジュール・ヴェルヌの『ベグムの幸運』（1879年）で再び登場した。

1903年、コンスタンチン・ツィオルコフスキー（1857年～1935年）は『ジェット推進装置を用いた宇宙探査』を出版した。これはロケットによる宇宙船打ち上げに関する最初の学術論文であった。彼は最小軌道に必要な軌道速度を計算し、液体燃料を用いた多段式ロケットであればこれを達成できると推論した。

ヘルマン・ポトチュニクは、 1928年の著書『宇宙旅行の問題』の中で、軌道上の宇宙船を用いて地上の詳細な平和的および軍事的観測を行うというアイデアを探求した。彼は、宇宙の特殊な環境が科学実験にどのように役立つかを説明した。この本では、静止衛星（コンスタンチン・ツィオルコフスキーが最初に提唱）について説明し、無線を用いて衛星と地上との通信について論じたが、衛星を大規模放送や通信中継に利用するというアイデアには至らなかった。^{[ 5 ]}

1945年の『ワイヤレス・ワールド』誌の記事で、イギリスのSF作家アーサー・C・クラークは、通信衛星をマスコミュニケーションに利用する可能性について詳細に述べた。彼は、3基の静止衛星で地球全体をカバーできると示唆した。^{[ 6 ]： 1-2}

1946年5月、アメリカ空軍のプロジェクトRANDは「実験的な世界一周宇宙船の予備設計」を発表し、「適切な計測機器を備えた衛星は、20世紀で最も強力な科学ツールの1つになると期待できる」と述べた。^{[ 7 ]}アメリカは1945年からアメリカ海軍航空局の下で軌道衛星の打ち上げを検討していた。プロジェクトRANDは最終的にこの報告書を発表したが、衛星は潜在的な軍事兵器ではなく、科学、政治、宣伝のためのツールであると考えていた。^{[ 8 ]}

1946年、アメリカの理論天体物理学者ライマン・スピッツァーは軌道上の宇宙望遠鏡を提案した。^{[ 9 ]}

1954年2月、プロジェクトRANDはRR Carhartによる「衛星車両の科学的利用」を発表した。^{[ 10 ]}これは衛星車両の潜在的な科学的利用を拡大したもので、1955年6月にはHK KallmannとWW Kelloggによる「人工衛星の科学的利用」が続いた。^{[ 11 ]}

最初の人工衛星は、セルゲイ・コロリョフを主任設計者として、ソビエト連邦がスプートニク計画の下、 1957年10月4日に打ち上げたスプートニク1号でした。スプートニク1号は、軌道変化の測定を通じて高層大気の密度を特定するのに役立ち、電離層における電波信号の分布に関するデータを提供しました。スプートニク1号の成功という予期せぬ発表は、米国でスプートニク危機を引き起こし、冷戦におけるいわゆる宇宙開発競争の火付け役となりました。

国際地球観測年（1957～1958年）の活動計画の一環として、ホワイトハウスは1955年7月29日、米国が1958年春までに人工衛星を打ち上げる意向であることを発表した。これは「ヴァンガード計画」として知られるようになった。7月31日、ソビエト連邦は1957年秋までに人工衛星を打ち上げる意向を発表した。

スプートニク2号は1957年11月3日に打ち上げられ、ライカという名前の犬を初めて生きた乗客として軌道に乗せた。^{[ 12 ]}この犬は帰還の可能性がない状態で送られた。

1955 年初頭、アメリカロケット協会、国立科学財団、国際地球観測年の圧力により、陸軍と海軍は2 つの競合するプログラムでプロジェクト オービターに取り組みました。陸軍はジュピター C ロケットを使用し、民間海軍プログラムはヴァンガード ロケットを使用して衛星を打ち上げました。エクスプローラー 1 号は、 1958 年 1 月 31 日にアメリカ合衆国初の人工衛星となりました。^{[ 13 ]}その放射線検出器から送られてきた情報は、地球のヴァン アレン放射線帯の発見につながりました。^{[ 14 ]} NASA のテレビ赤外線観測衛星(TIROS) プログラムの一環として 1960 年 4 月 1 日に打ち上げられたTIROS-1宇宙船は、宇宙から撮影された最初の気象パターンのテレビ映像を送り返しました。^{[ 15 ]}

スプートニク1号の打ち上げから3年半後の1961年6月、米国宇宙監視ネットワークは115個の地球周回衛星をカタログ化した。^{[ 16 ]}

カナダは宇宙に打ち上げられた衛星を製造した3番目の国でしたが、^{[ 17 ]}アメリカのロケットでアメリカの宇宙港から打ち上げられました。オーストラリアも同様で、最初の衛星の打ち上げには、寄贈されたアメリカのレッドストーンロケットとアメリカの支援スタッフ、そしてイギリスとの共同打ち上げ施設が使用されました。^{[ 18 ]}イタリア初の衛星サンマルコ1号は、1964年12月15日にアメリカのスカウトロケットでウォロップス島（アメリカ合衆国バージニア州）から、NASAで訓練を受けたイタリアの打ち上げチームによって打ち上げられました。^{[ 19 ]}同様に、その後のほとんどすべての最初の国家衛星は外国のロケットで打ち上げられました。

フランスは、自国のロケットで人工衛星を打ち上げた3番目の国となった。1965年11月26日、アステリックス（A-1、当初はFR.2またはFR-2として構想されていた）は、アルジェリアのハマギールにあるCIEES施設から打ち上げられたディアマンAロケットによって軌道に乗せられた。アステリックスの打ち上げにより、フランスは人工衛星を保有する6番目の国となった。

初期の衛星は独自の設計に基づいて製造されていました。技術の進歩に伴い、衛星バスと呼ばれる単一モデルのプラットフォーム上に複数の衛星が製造されるようになりました。最初の標準化された衛星バス設計は、 1972年に打ち上げられた静止軌道（GEO）通信衛星HS-333です。1997年以降、FreeFlyerは衛星ミッションの分析、設計、運用を行うための市販のソフトウェアアプリケーションとして登場しました。

2010年代後半以降、特に大規模な衛星インターネットコンステレーションの出現と運用開始後（軌道上のアクティブな衛星が5年間で2倍以上に増加した）、コンステレーションを構築する企業は、打ち上げ許可を取得するための規制プロセスの一環として、寿命を迎えた古い衛星の定期的な計画的軌道離脱を提案し始めた。史上最大の人工衛星は国際宇宙ステーションである。^{[ 20 ]}

2000年代初頭、特にCubeSatの登場とマイクロサットの打ち上げ増加（低地球軌道（LEO）のより低い高度に打ち上げられることが多い）以降、衛星は破壊されるか、大気圏で完全に分解して燃え尽きるように設計されることが増えてきた。 ^{[ 21 ]} 例えば、2020年に軌道上で1000基を超える稼働中の衛星を擁する最初の大規模衛星インターネットコンステレーションであるSpaceX Starlink衛星は、寿命の終わり、または衛星の早期故障の場合に、大気圏再突入時に100%破壊され、完全に燃え尽きるように設計されている。^{[ 22 ]}

さまざまな時期に、アルジェリア、アルゼンチン、オーストラリア、オーストリア、ブラジル、カナダ、チリ、中国、デンマーク、エジプト、フィンランド、フランス、ドイツ、インド、インドネシア、イラン、イスラエル、イタリア、日本、カザフスタン、韓国、マレーシア、メキシコ、オランダ、ノルウェー、パキスタン、ポーランド、ロシア、サウジアラビア、南アフリカ、スペイン、スイス、タイ、トルコ、ウクライナ、イギリス、アメリカ合衆国など多くの国が、軌道上に衛星を保有していた。^{[ 23 ]}

日本の宇宙航空研究開発機構（JAXA）とNASAは、リンゴサットと呼ばれる木製衛星の試作機を2024年夏に軌道に投入する計画だ。彼らはこのプロジェクトに数年間取り組んでおり、2021年に最初の木材サンプルを宇宙に送り、宇宙環境に対する材料の耐性をテストした。^{[ 24 ]}

ほとんどの人工衛星は、軌道の調整や維持に化学推進またはイオン推進を使用し、^{[ 6 ] : 78} 3軸の回転または姿勢制御にはリアクションホイールが組み合わされています。地球に近い衛星は、地球の磁場、重力場、太陽の放射圧の変動の影響を最も受けます。遠くにある衛星は、月や太陽などの他の天体の重力場の影響をより強く受けます。人工衛星は、紫外線による損傷を防ぐために超白色反射コーティングを使用しています。^{[ 25 ]}軌道と姿勢制御がなければ、軌道上の衛星は地球上の地上局と通信することができません。 ^{[ 6 ] : 75–76}

衛星に搭載される化学スラスタは、通常、自己着火性の単一推進剤（1成分）または二成分推進剤（2成分）を使用します。自己着火性とは、互いに接触したり触媒に触れたりすると自発的に燃焼する性質のことです。衛星で最も一般的に使用される推進剤混合物は、ヒドラジン系単一推進剤またはモノメチルヒドラジン-四酸化二窒素二成分推進剤です。衛星に搭載されるイオンスラスタは、通常、ホール効果スラスタであり、負に帯電したグリッドを通して正イオンを加速することで推力を発生させます。イオン推進は化学推進よりも推進剤効率は高いものの、推力が非常に小さい（約0.5 Nまたは0.1 lb _f）ため、より長い燃焼時間が必要です。スラスタは通常、キセノンを使用します。キセノンは不活性で、容易にイオン化でき、原子量が大きく、高圧液体として貯蔵できるためです。^{[ 6 ]： 78-79}  

ほとんどの人工衛星は発電に太陽電池パネルを使用し、太陽光が限られている深宇宙の衛星の中には放射性同位体熱電発電機を使用するものもある。スリップリングは太陽電池パネルを衛星に取り付ける役割を果たし、スリップリングは回転して太陽光に対して垂直になるように調整することで最大の発電量を得ることができる。太陽電池パネルを搭載したすべての衛星は、打ち上げロケット内部や夜間には太陽光が遮られるため、バッテリーも搭載する必要がある。衛星用バッテリーで最も一般的なのはリチウムイオン電池で、過去にはニッケル水素電池も使用されていた。^{[ 6 ]： 88-89}

地球観測衛星は、リモートセンシングと呼ばれる地球の監視と調査を行うために設計されています。ほとんどの地球観測衛星は、高解像度のデータを得るために低軌道に配置されていますが、一部は途切れることのない観測のために静止軌道に配置されています。一部の衛星は、一定の照明を得て地球全体を観測するために太陽同期軌道に配置されています。衛星の機能に応じて、通常のカメラ、レーダー、ライダー、光度計、または大気観測機器が搭載されている場合があります。地球観測衛星のデータは、考古学、地図作成、環境モニタリング、気象学、偵察用途で最もよく使用されています。 2021年現在、950機以上の地球観測衛星があり、その最大数はPlanet Labsによって運用されています。^{[ 26 ]}

気象衛星は、雲、都市の明かり、火災、汚染の影響、オーロラ、砂嵐や塵嵐、積雪、氷のマッピング、海流の境界、エネルギーの流れなどを監視します。環境監視衛星は、地球の植生、大気中の微量ガス含有量、海の状態、海洋の色、氷原の変化を検出できます。時間の経過に伴う植生の変化を監視することで、現在の植生の状態を長期平均と比較することにより、干ばつを監視できます。^{[ 27 ]}_{人為的な排出は、対流圏のNO2}とSO2_のデータを評価することによって監視できます。

 地球観測衛星や 通信衛星が 軍事目的 または 情報収集目的で配備される場合 、それはスパイ衛星または偵察衛星と呼ばれる。

それらの用途には、ミサイル早期警戒、核爆発探知、電子偵察、光学またはレーダー画像による監視などが含まれる。

航行衛星とは、地上にある移動受信機が衛星の正確な位置を特定できるように、送信された無線時刻信号を利用する衛星のことです。衛星と地上受信機の間には比較的見通しの良い視線が確保されていることに加え、電子機器の性能が絶えず向上しているため、衛星航法システムはリアルタイムで数メートル程度の精度で位置を測定することが可能です。

天文衛星は、遠方の惑星、銀河、その他の宇宙物体を観測するために使用される衛星です。^{[ 31 ]}

テザー衛星は、テザーと呼ばれる細いケーブルで別の衛星に接続されている衛星です。^{[ 32 ]}回収衛星は、偵察、生物、宇宙生産、その他のペイロードを軌道から地球に回収する衛星です。バイオ衛星は、一般的に科学実験のために生物を搭載するように設計された衛星です。^{[ 33 ]}宇宙太陽光発電衛星は、太陽光からエネルギーを集めて地球や他の場所で使用するために送信することを目的とした提案されている衛星です。^{[ 34 ]}

2000年代半ば以降、過激派組織は衛星をハッキングしてプロパガンダを流布したり、軍事通信ネットワークから機密情報を盗み出したりしてきた。^{[ 35 ] [ 36 ]}試験目的で、地球から発射された弾道ミサイルによって低軌道の衛星が破壊されてきた。ロシア、米国、中国、インドは衛星を破壊する能力を実証している。^{[ 37 ]} 2007年に中国軍は老朽化した気象衛星を撃墜し、^{[ 37 ]}続いて2008年2月に米海軍が機能停止したスパイ衛星を撃墜した。 ^{[ 38 ]} 2015年11月18日、2回の失敗の後、ロシアはNudolとして知られる対衛星ミサイルの飛行試験に成功した。2019年3月27日、インドは高度300kmで稼働中の試験衛星を3分で撃墜し、稼働中の衛星を破壊する能力を持つ4番目の国となった。^{[ 39 ] [ 40 ]} 

衛星やロケットは商業的に機密性が高いため、資源の使用を監視して定量化することは困難です。しかし、アルミニウムは軽量で比較的安価であるため、衛星の製造に好まれる金属であり、通常、衛星の質量の約40%を占めます。^{[ 41 ]}アルミニウムは採掘と精製を通じて多くの負の環境影響を及ぼし、最も炭素集約的な金属の1つです。^{[ 42 ]}衛星の製造には、リチウム、金、ガリウムなどの希少元素も必要ですが、これらの元素の中には、採掘や加工に関連した重大な環境影響があったり、供給量が限られていたりするものがあります。^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]}ロケットの製造には大量の原材料が必要であり、ブースター段は燃料が尽きた後、通常は海に投棄されます。通常は回収されません。^{[ 43 ]}アリアン5に使用された2つの空のブースターは主に鋼鉄で構成されており、それぞれ約38トンの重さがあり、^{[ 46 ]}海に放置される物質の量を理解するのに役立ちます。

_{ロケットの打ち上げは、}大気のあらゆる層に多数の汚染物質を放出し、特に燃焼副産物が長期間滞留する可能性のある対流圏界面より上の大気に影響を与えます。 ^{[ 47 ]}これらの汚染物質には、黒色炭素、CO2、窒素酸化物（NOx _）、アルミニウム、水蒸気などが含まれますが、汚染物質の混合比はロケットの設計と燃料の種類によって異なります。^{[ 48 ]}ロケットから排出される温室効果ガスの量は、世界の温室効果ガス総排出量の2～3％を占める航空業界が年間で排出する量に比べて、約0.01％と著しく少ないため、取るに足らないものと考えられています。 ^{[ 49 ] [ 47 ]}

成層圏におけるロケットの排出物とその影響は研究され始めたばかりであり、その影響は対流圏における排出物よりも深刻になる可能性が高い。^{[ 43 ]}成層圏にはオゾン層が含まれており、ロケットから排出される汚染物質はさまざまな方法でオゾン層破壊に寄与する可能性がある。NO _x、HO _x、ClO _xなどのラジカルは分子間反応によって成層圏の O _{3を減少させ、微量でも大きな影響を与える可能性がある。} ^{[ 47 ]}しかし、規制されているオゾン層破壊物質の影響に匹敵するには、打ち上げ率を 10 倍に増やす必要があることが現在理解されている。^{[ 50 ] [ 51 ]}水蒸気の排出は大部分が不活性とみなされているが、H _{2 O は HO x}の発生源ガスであり、氷粒子の形成によってオゾンの減少にも寄与する可能性がある。^{[ 50 ]}ロケットから放出される黒色炭素粒子は成層圏で太陽放射を吸収し、周囲の空気を温暖化させ、成層圏の循環力学に影響を与える可能性があります。^{[ 52 ]}温暖化と循環の変化の両方がオゾン層の破壊を引き起こす可能性があります。

特に、制御不能な軌道離脱からは深刻な脅威が生じる。

放射性物質を汚染・拡散させた著名な衛星の失敗例としては、コスモス954号、コスモス1402号、トランジット5BN-3号などが挙げられる。

制御された方法で衛星が寿命を迎えると、宇宙ゴミを減らすために、意図的に軌道から外されるか、地球からさらに遠い墓場軌道に移動されます。物理的に回収または除去することは経済的ではなく、現状では不可能です。衛星を墓場軌道に移動させることも、何百年もそこに留まるため持続可能ではありません。^{[ 43 ]}これは、宇宙のさらなる汚染と将来の宇宙ゴミ問題につながります。衛星が軌道から外れるとき、その多くは大気圏への再突入時に熱によって破壊されます。これにより、より多くの物質と汚染物質が大気中に放出されます。^{[ 41 ] [ 58 ]}オゾン層への潜在的な損傷と、地球のアルベドの増加の可能性、温暖化の抑制、そして地球の気候の偶発的な地球工学につながる可能性について懸念が表明されています。 ^{[ 43 ]}軌道から外された後、衛星の70%は海に落ち、回収されることはほとんどありません。^{[ 47 ]}

大気圏に再突入する衛星からの汚染や破片を減らすために、代替材料として木材を使用することが提案されている。^{[ 59 ]}

宇宙デブリは、地球中心軌道内または地球中心軌道を横断する宇宙船^{[ 61 ] [ 62 ]}（衛星を含む）^{[ 62 ] [ 63 ]}に危険をもたらし、ケスラーシンドローム^{[ 64 ]}を引き起こす可能性があり、将来的に人類が宇宙開発を行うことを阻害する可能性がある^{[ 65 ] [ 66 ] 。}

SpaceX Starlinkのような衛星コンステレーションの増加に伴い、 IAUなどの天文学コミュニティは、軌道汚染が著しく増加していると報告している。^{[ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]} 2020年のSATCON1ワークショップの報告書では、大規模な衛星コンステレーションの影響が一部の天文学研究に深刻な影響を与える可能性があると結論付け、天文学への被害を軽減するための6つの方法を挙げている。^{[ 72 ] [ 73 ]} IAUは、このような有害な影響を軽減するための対策を調整または集約するセンター（CPS）を設立している。^{[ 74 ] [ 75 ] [ 76 ]}

衛星送信の受信信号強度が低いため、地上送信機による妨害を受けやすい。このような妨害は、送信機の範囲内の地理的領域に限定される。GPS衛星は妨害の標的になりやすいが^{[ 77 ] [ 78 ]}、衛星電話や衛星テレビ信号も妨害を受けている^{[ 79 ] [ 80 ] 。}

また、静止衛星に搬送波無線信号を送信することは非常に容易であり、その結果、衛星のトランスポンダの正当な利用を妨害してしまう可能性があります。地上局が商用衛星空間において誤った時間や周波数で送信し、トランスポンダを二重照射して周波数を使用不能にしてしまうことはよくあります。現在、衛星運用者は、あらゆる搬送波の発信源を特定し、トランスポンダ空間を効果的に管理できる高度な監視ツールと手法を備えています。

一般的に、賠償責任は賠償責任条約によって規定されている。