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重力アシスト、重力アシスト操作、スイングバイ、または軌道力学における一般に重力スリングショットは、惑星または他の天体の相対的な動き（例：太陽の周りの軌道）と重力を利用して宇宙船の進路と速度を変更し、通常は推進剤を節約して費用を削減する宇宙飛行フライバイの一種です。
重力補助は宇宙船を加速するために、つまり速度を増減したり軌道を変更したりするために使用できます。この「補助」は、重力体が宇宙船を引っ張る運動によって提供されます。 [1]通過する宇宙船による運動エネルギーと直線運動量の増減は、ニュートンの第3法則に従って、重力体によってそれに応じて失われるか得られます。重力補助操作は、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ときに初めて使用され、2つのボイジャー探査機による木星と土星の 有名なフライバイを含む、マリナー10号以降の惑星間探査機によって使用されました。
説明
惑星の基準系では、探査機は到着時とまったく同じ速度で出発します。しかし、太陽系の基準系（太陽に固定）で観察すると、この操作の利点が明らかになります。ここでは、探査機が太陽の周りを回る惑星の速度からエネルギーを利用して速度を上げている様子がわかります。（軌道が惑星の後ろではなく前を通過するように設計されている場合、重力アシストは加速ではなくブレーキ操作として使用できます。）探査機の質量は惑星の質量よりも桁違いに小さいため、探査機への影響は非常に大きいものの、ニュートンの第3法則によれば、惑星が受ける減速反応はまったく感知できません。
惑星の周りの重力アシストは、惑星の重力圏に入ったり離れたりすることで、宇宙船の速度（太陽に対する相対速度）を変化させます。両方の物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、スリングショット操作を使用して、太陽に対する宇宙船の軌道と速度を変更することができます。[3]
地上でよく似た例として、走行中の電車の前方で跳ね返るテニスボールが挙げられます。電車のプラットホームに立って、時速 50 km で近づいてくる電車に向かって時速 30 km でボールを投げるところを想像してください。電車の運転手は、ボールが時速 80 km で近づいてくるのを目にし、ボールが電車の前方で弾力的に跳ね返った後、時速 80 km で離れていくのを目にします。しかし、電車の動きにより、ボールが離れる速度は電車のプラットホームに対して時速 130 km です。ボールは電車の速度の 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 を持ちます。スリングショットの発生後、宇宙船は到着時とは 90 度の方向へ進路を変えて出発します。速度はvのままですが、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用いると、宇宙船は当初√ 2 vの全速度を持ちます。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、軌道に関する追加の詳細がなければ洗練できませんが、宇宙船が双曲線を形成する経路を移動する場合、エンジンを始動せずに惑星を反対方向に離れることができます。この例は、宇宙船が経験できる多くの軌道と速度の増加の 1 つです。
この説明はエネルギーと運動量の保存則に違反しているように思われるかもしれない。何もないところから宇宙船の速度が増しているように見えるが、関係する力学の全体像を把握するには、宇宙船が惑星に与える影響も考慮に入れなければならない。宇宙船が獲得する線形運動量は惑星が失う運動量と大きさが等しいため、宇宙船は速度を獲得し、惑星は速度を失う。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相互作用すること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。たとえば、1メートルトンは惑星間宇宙探査機の典型的な質量であるが、木星の 質量はほぼ 2 x 10 24メートルトンである。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、木星の軌道速度は約5 x 10 −25 km/s失われます。実用的な目的のために、計算では惑星への影響は無視できます。[5]
宇宙での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ります。惑星の速度を宇宙船の速度に追加するには、以下に示すようにベクトルの追加が必要になることを除き、上記と同じ原則が適用されます。
軌道の可逆性により、重力スリングショットは宇宙船の速度を落とすためにも使用できます。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実行しました。[引用が必要]
重力アシストのみで得られる速度よりも高い速度が必要な場合は、近点（惑星に最も近づく点）付近でロケットを燃焼させると、燃料消費が最も少なくなります。特定のロケットを燃焼させると、常に同じ速度変化（Δv）が得られますが、運動エネルギーの変化は燃焼時の機体の速度に比例します。したがって、燃焼が機体の最高速度（近点）で発生したときに、最大の運動エネルギーが得られます。この技術については、オーベルト効果で詳しく説明します。
歴史的起源
ユーリ・コンドラチュクは、1938年に発表されたが1918年から1919年まで遡る論文「構築するために読む人々へ」（「テーム、ケート、ケート」）[6]で 、 2つの惑星の間を移動する宇宙船は、2つの惑星の衛星の重力を利用して、軌道の最初と最後で加速できると示唆した。重力アシストを考慮した彼の原稿の部分はその後発展せず、1960年代まで出版されなかった。[7] 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」 ) の中で、フリードリヒ ザンダーは次のように述べました。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の深い理解。[7]
イタリアのエンジニア、ガエターノ・クロッコは、複数の重力アシストを考慮した惑星間旅行を初めて計算しました。[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ときに初めて使用されました。この操作は、ケルディッシュ応用数学研究所のムスティスラフ・ケルディッシュの指導の下で行われた研究に依存していました。[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・ミノビッチは、重力アシスト技術を開発しました。これは後にゲイリー・フランドロの惑星グランドツアーのアイデアに使用されました。[13] [14]
1964年の夏、NASAジェット推進研究所でゲイリー・フランドロは太陽系の外惑星の探査技術の研究を任されました。この研究で彼は、外惑星（木星、土星、天王星、海王星）の珍しい一列配置を発見し、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グランドツアー多惑星ミッションを考案しました。[15]
目的
地球から内惑星へ向かう宇宙船は太陽に向かって落下す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くから離れるため相対速度が減少します。
内惑星の軌道速度は地球の軌道速度よりも速いですが、内惑星へ向かう宇宙船は、そこへ到達するために必要な最小速度であっても、太陽の重力によってその目的の惑星の軌道速度よりもかなり速い速度まで加速されます。宇宙船の目的が内惑星のそばを飛ぶことだけであれば、通常、宇宙船を減速させる必要はありません。ただし、宇宙船をその内惑星の軌道に投入する場合は、何らかの方法で減速させる必要があります。
同様に、外惑星の軌道速度は地球の速度よりも遅いのですが、外惑星への移動に必要な最低速度で地球を離れた宇宙船は、太陽の重力によってその外惑星の軌道速度よりもはるかに遅い速度に減速されます。したがって、宇宙船がその外惑星に到達したときに、その惑星の周りを周回する軌道に入るには、何らかの方法で宇宙船を加速する必要があります。
ロケット エンジンは、宇宙船の速度を増減するのに使用できます。ただし、ロケットの推力には推進剤が必要で、推進剤には質量があり、速度の小さな変化 (Δ vまたは「デルタv」として知られています。デルタ記号は変化を表し、「v」は速度を表します) でさえ、地球の重力から脱出するために必要な推進剤の必要量がはるかに大きくなります。これは、第 1 段エンジンが余分な推進剤を持ち上げる必要があるだけでなく、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余分な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が増加すると、離陸質量の必要量は指数関数的に増加します。
宇宙に燃料を運ぶには追加の燃料が必要なため、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の「予算」で設計されます。デルタ v 予算は、地球を離れた後に、加速、減速、外部バフェッティング (粒子やその他の外部効果による) に対する安定化、または推進剤を追加で入手できない場合の方向変更に使用できる推進剤の総量です。ミッション全体をその能力の範囲内で計画する必要があります。したがって、燃料を燃焼させる必要のない速度と方向の変更方法は、宇宙に運ばれた限られた量の燃料を消費することなく、追加の操縦能力と進路強化を可能にするため有利です。重力アシスト操縦は、推進剤を消費せずに宇宙船の速度を大幅に変更でき、かなりの量の推進剤を節約できるため、燃料を節約するための非常に一般的な手法です。
制限
重力アシスト操作の使用における主な実際的な制限は、惑星やその他の大きな質量が特定の目的地への航海を可能にするのに適切な位置にあることはめったにないことです。たとえば、1970 年代後半に開始されたボイジャーミッションは、木星、土星、天王星、海王星の「グランド ツアー」配置によって可能になりました。同様の配置は 22 世紀半ばまで再び発生しません。これは極端なケースですが、それほど野心的ではないミッションでも、惑星が軌道の不適切な部分に散らばっている年があります。[引用が必要]
もう 1 つの制限は、利用可能な惑星の大気です (存在する場合)。宇宙船が近づくほど、重力によって宇宙船が加速されるため、近点速度が速くなり、ロケットの燃焼から得られる運動エネルギーが増加します。ただし、宇宙船が大気圏に深く入りすぎると、抗力によって失われるエネルギーが惑星の重力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、大気はエアロブレーキングに使用できます。宇宙船が大気圏を飛行するときに空気力学的揚力を使用するという理論的な提案もあります。この操作はエアログラビティ アシストと呼ばれ、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、エネルギーの獲得を増やすことができます。[引用が必要]
大気のない天体の場合であっても、宇宙船が接近できる距離には限界がある。達成可能な速度変化の大きさは、宇宙船の接近速度と最接近地点での惑星の脱出速度（表面または大気によって制限される）によって決まる。[引用が必要]
太陽自体を使った惑星間スリングショットは、太陽系全体に対して太陽が静止しているため不可能である。しかし、太陽の近くで推進すると、オーベルト効果と呼ばれる動力付きスリングショットと同じ効果が得られる。これは宇宙船の推進力を大幅に増幅させる可能性があるが、宇宙船の耐熱能力によって制限される。[要出典]
回転するブラックホールは、その回転軸が正しい方向に向いていれば、さらなる助けとなるかもしれない。一般相対性理論によれば、回転する大きな質量はフレームドラッグを生じさせると予測されている。つまり、物体の近くでは、空間自体が回転の方向に引きずられるのである。回転する通常の物体であれば、この効果が生じる。太陽の周りでのフレームドラッグを測定する試みは明確な証拠をもたらさなかったが、重力探査機 Bによる実験では、地球によって引き起こされるフレームドラッグ効果を検出した。[16]一般相対性理論によれば、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おり、その中では、ブラックホールの回転に対して静止することは不可能である。なぜなら、空間自体がブラックホールの回転と同じ方向に光速で引きずられるからである。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かもしれないが、そのためには宇宙船がブラックホールにいくらかの「バラスト」を投棄する必要があり、宇宙船は「バラスト」をブラックホールまで運ぶためにエネルギーを消費しなければならなかったであろう。[要出典]
注目すべき使用例
- ルナ3
重力アシスト操作は、1959年にルナ3号で初めて試みられ、月の裏側を撮影しました。[17]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。[18]
- パイオニア10
NASAのパイオニア10号は1972年に打ち上げられ、木星への最初のミッションを完了した宇宙探査機である。[19]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最初のものとなった。1973年12月、パイオニア10号宇宙船は重力のスリングショット効果を利用して太陽系を離れる脱出速度に到達した最初の宇宙船となった。[20] [21]
- パイオニア11
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、宇宙線を調査するために、1973年にNASAによって打ち上げられました。[19]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、木星を通過した2番目の探査機でした。土星に到達するために、宇宙船は木星の重力アシストを受けました。[22] [23] [24]
- マリナー10
マリナー10号探査機は、重力のスリングショット効果を利用して他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、水星を探査した最初の宇宙船となった。[25]
- ボイジャー1号
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た。木星と土星の周りをスリングショット操縦することで、太陽の重力から逃れるエネルギーを得た。 [26] 2024年11月29日UTC [refresh]の時点で47年2ヶ月24日間運用されたこの宇宙船は、現在もディープスペースネットワークと通信して日常的なコマンドを受信し、データを地球に送信している。リアルタイムの距離と速度のデータは、NASAとJPLによって 提供されている[27] 。 2020年1月12日現在、地球から152.2AU（228億km、141億マイル）の距離にあり、 [ 28 ] 地球から 最も遠い人工物となっている。 [29]
- ボイジャー2号
ボイジャー2号は、外惑星の調査を目的として、1977年8月20日にNASAによって打ち上げられた。木星と土星に到達するまでの軌道は双子の宇宙船よりも長かったが、天王星と海王星とのさらなる遭遇を可能にした。 [30]
- ガリレオ
ガリレオ宇宙船は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）からの重力アシストを受けた。宇宙船は1995年12月に木星に到着した。重力アシストにより、ガリレオは243イダと951ガスプラの2つの小惑星をフライバイすることができた。[31] [32]
- ユリシーズ
1990年、NASAは太陽の極域を調査するために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に並ぶ平面を周回している。したがって、太陽の極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獲得する必要がある。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。[33] [34]
- メッセンジャー
メッセンジャーミッション（2004年8月に打ち上げ）は、水星を周回する前に重力アシストを多用して速度を落とした。メッセンジャーミッションでは、地球フライバイ1回、金星フライバイ2回、水星フライバイ3回が行われ、最終的に2011年3月に水星に到着した。その速度は利用可能な燃料で軌道投入が可能なほど低かった。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。[ 35] [36]
- カッシーニ
カッシーニ・ホイヘンス宇宙船は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）に重力アシストフライバイを行った。土星への飛行には6.7年かかり、宇宙船は2004年7月1日に到着した。[37] [38]その軌道は2019年に「これまでに飛行された中で最も複雑な重力アシスト軌道」と呼ばれた。[39]
土星の周回軌道に入った後、カッシーニ宇宙船は複数回のタイタンの重力アシストを利用して軌道傾斜角を大幅に変更したため、赤道面付近にとどまる代わりに、宇宙船の飛行経路はリングの面から大きく外れた方向に傾いた。[40]典型的なタイタン遭遇では宇宙船の速度が 0.75 km/s 変化し、宇宙船は 127 回のタイタン遭遇を行った。これらの遭遇により、広範囲の近点および遠点距離、太陽に対する軌道のさまざまな配置、および 0° から 74° の軌道傾斜角での軌道ツアーが可能になった。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た。[要出典]
- ロゼッタ
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）を使用して、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シュタインをフライバイし、最終的には2014年8月のランデブーポイントでチュリュモフ・ゲラシメンコ彗星67Pの速度に匹敵する速度を達成した。 [41] [42]
- 新しい地平線
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年には木星の重力アシストを行った。 [43] [44]
- ジュノ
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上昇を利用し、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達成された。[45]このようにして、ジュノーはわずか5年で最終目的地である木星に向かう軌道（および速度）を変更した。
- パーカー太陽探査機
2018年にNASAによって打ち上げられたパーカー・ソーラー・プローブは、金星で7回の重力アシストを計画している。各重力アシストにより、パーカー・ソーラー・プローブは徐々に太陽に近づく。2022年現在、探査機は7回のアシストのうち5回を実施した。パーカー・ソーラー・プローブのミッションは、あらゆる宇宙ミッションの中で太陽に最も近づくことになる。[46] [47] [48]
- 太陽探査機
ソーラー・オービターは2020年にESAによって打ち上げられた。2021年11月まで続く最初の巡航段階では、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回重力アシスト操作を行い、探査機の軌道を変えて太陽系の最も内側の領域へと導いた。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の地点で行われる。[49]
- ベピコロンボ
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）による水星への共同ミッションである。2018年10月20日に打ち上げられた。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する。2025年に到着する予定。ベピコロンボは、この操縦方法の先駆者であるジュゼッペ（ベピ）コロンボにちなんで名付けられました。 [50]
- ルーシー
ルーシーは2021年10月16日にNASAによって打ち上げられた。2022年10月16日に地球からの重力アシストを1回獲得し[51] 、メインベルト小惑星152830ディンキネシュをフライバイした後、2024年にもう1回獲得する予定である。 [52] 2025年には、メインベルト小惑星52246ドナルドヨハンソンの内側を通過する。 [53] 2027年には、 L4トロヤ群（木星の約60°前方を周回するギリシャの小惑星キャンプ）に到着し、4つのトロヤ群、 3548エウリュバテス（衛星を含む）、 15094ポリメレ、 11351レウコス、および21900オルスを通過する。 [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、 L5トロヤ群雲（木星の約60°後ろにあるトロヤ群）への別の重力アシストを行い、2033年に衛星メノイティウスとともにトロヤ群617パトロクロス連星を訪問する予定です。
フィクションでは
2001年の小説では、ディスカバリー号は木星を周回する際にスピードを上げるためにこのような操作を行っているが、映画ではそうではない。アーサー・C・クラークが何度も明らかにしたように、TMA-2の位置は土星の近く（小説）から木星の近く（映画）に変更された。
参照
- 3753 クルースネ、定期的に地球と重力衝突を起こす小惑星
- デルタv予算
- 低エネルギー転送は、宇宙船が天体の重力によって軌道上に引っ張られるタイプの重力アシストです。この方法は通常、地球-月系で実行されます。
- 動的摩擦
- フライバイ異常、重力アシスト中の異常なデルタv増加
- 重力の鍵穴
- 惑星間輸送ネットワーク
- n体問題
- オーベルト効果、重力井戸の最接近付近での推力の適用
- パイオニアH、木星と太陽の観測を目的とした初の黄道外ミッション（OOE）提案
- STEREO は、地球の月を利用して2機の宇宙船を地球の軌道から太陽中心軌道に放出する重力支援ミッションである。
注記
- ^ 1938年、コンドラチュクが「建築のために読む人へ」という原稿を出版のために提出したとき、彼は原稿の日付を1918年から1919年としていたが、原稿が何度も改訂されていたことは明らかだった。NASA技術翻訳F-9285（1965年11月1日）の49ページを参照。
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名前の変更にもかかわらず、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したが、グランドツアー (TOPS) 宇宙船ではないことは確かです。
ボイジャー2号
は1977年8月20日に打ち上げられ、続いて
ボイジャー1号
が1977年9月5日に打ち上げられました。打ち上げ順序を逆にするという決定は、天王星、海王星、そしてそれ以降の地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ことと関係がありました。
ボイジャー2号
は、タイタン-ケンタウルスの最大性能によって推進されれば、かろうじて古いグランドツアーの軌道に追いつき、天王星に遭遇することができました。2週間後、
ボイジャー1号は
より容易ではるかに高速な軌道で出発し、木星と土星のみを訪問しました。
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しました。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2号
ではなく、
ボイジャー
1号だった。2機のボイジャーは9か月の間隔を置いて土星に到着するため、
ボイジャー1号が
何らかの理由で土星の目的を達成できなかった場合でも、その後の天王星や海王星への遭遇を犠牲にしてでも、
ボイジャー2号
を再目標達成できる。
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外部リンク
無料辞書『ウィクショナリー』で重力アシストを調べてください。
- 宇宙飛行の基礎: NASA.gov の重力アシスト入門
- 宇宙飛行と宇宙船: 重力アシスト、Phy6.org での議論
- 「重力スリングショット」。MathPages.com。
- ダブルボール落下実験