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月遷移軌道投入（TLI ）は、宇宙船を月へ向かわせるために使用される推進操作です。典型的な月遷移軌道はホーマン遷移軌道に近似していますが、ヒテン探査機のように、低エネルギー遷移軌道が使用される場合もあります。[ 1 ]地球・月系外からの大きな摂動 のない短期間のミッションでは、通常、高速ホーマン遷移軌道の方が実用的です。
宇宙船は、地球の低円軌道から月遷移を開始するためにTLIを実行します。通常、化学ロケットエンジンによって実行される大規模なTLI噴射により、宇宙船の速度が増加し、軌道が地球の低円軌道から非常に偏心した軌道に変わります。TLI後のミッションフェーズ、つまり宇宙船が自身の運動量で受動的に月に向かって飛行し、地球と月の重力の影響を受ける間は、月遷移コーストと呼ばれます。[ 2 ]宇宙船が月遷移アーク上でコーストを開始すると、その軌道は地球の周りの楕円軌道に近似し、遠地点は月の軌道の半径に近くなります。TLI噴射は、月が地球の周りを公転する際に正確に月をターゲットにするようにサイズとタイミングが調整されます。噴射は、月が近づくにつれて宇宙船が遠地点に近づくようにタイミングが調整されます。最後に、宇宙船は月の重力圏に入り、双曲線状の月スイングバイを行います。
場合によっては、TLIを設計して自由帰還軌道を目指すことが可能であり、宇宙船は月の後ろを回り込んで、さらなる推進操作を必要とせずに地球に帰還する。 [ 3 ]
このような自由帰還軌道は、宇宙船が最初のTLI噴射後に「無料で」地球に帰還するため、有人宇宙飛行ミッションに安全マージンと費用対効果をもたらします。アポロ8号、10号、11号は自由帰還軌道で開始されましたが[ 4 ] 、後のミッションでは、月に到達するために途中で軌道修正が必要となる、機能的に類似したハイブリッド軌道が使用されました[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]。アルテミスミッション1と2も両方とも自由帰還ミッションです[ 8 ]。
TLI（月着陸軌道）の目標設定と月遷移は、 n体問題の具体的な応用例であり、さまざまな方法で近似することができます。月遷移軌道を調べる最も簡単な方法は、パッチドコニック法を用いることです。宇宙船は、月の影響圏に到達するまで地球に支配され、古典的な2体力学の下でのみ加速すると仮定します。パッチドコニック系における運動は決定論的で計算が容易なため、大まかなミッション設計や概算的な検討に適しています。
しかし、より現実的には、宇宙船は多くの天体からの重力の影響を受けます。地球と月の重力が宇宙船の加速を支配しており、宇宙船自身の質量はそれに比べて無視できるため、宇宙船の軌道は制限三体問題として近似する方が適切かもしれません。このモデルはより正確な近似ですが、解析解がなく、数値積分が必要です。[ 9 ] [ 10 ]
より詳細なシミュレーションでは、月の実際の軌道運動、他の天体からの重力、地球と月の重力の不均一性、太陽放射圧などを考慮する必要があります。このようなモデルで宇宙船の運動を伝播させるには膨大な計算量が必要ですが、ミッションの真の精度を確保するためには不可欠です。
TLIを試みた最初の宇宙探査機は、 1959年1月2日に打ち上げられたソ連のルナ1号で、月への衝突を目的としていました。しかし、噴射は計画通りには進まず、探査機は月の半径の3倍以上離れたところから外れ、太陽中心軌道に投入されました。[ 11 ]ルナ2号は1959年9月12日に同じ操作をより正確に行い、2日後に月に衝突しました。[ 12 ]ソ連は1959年から1976年の間に、さらに22回のルナミッションと5回のゾンドミッションでこの成功を繰り返し、月の近くに到達しました。[ 13 ]
米国は1962年1月26日に初の月面衝突機レンジャー3号を打ち上げたが、月面到達には失敗した。その後、1962年4月23日に初の成功となるレンジャー4号を打ち上げた。 [ 14 ] 1962年から1973年にかけて、さらに27回の米国の月探査ミッションが実施され、その中には5回のサーベイヤー軟着陸機、5回のルナ・オービター監視探査機[ 15 ] : 166、そして人類初の月面着陸を成し遂げた9回のアポロ計画が含まれる。
アポロ月面着陸ミッションでは、TLIはサターンVロケットのS-IVB第3段の再始動可能なJ-2エンジンによって実行されました。この特定のTLI燃焼は約350秒間続き、3.05～3.25 km/s（10,000～10,600 ft/s）の速度変化をもたらし、その時点で宇宙船は地球に対して約10.4 km/s（34,150 ft/s）で移動していました。 [ 16 ]アポロ8号のTLIは、ハワイ諸島のワイキキの南の夜明け前の空で壮観に観測され、翌日には写真に撮られ、新聞で報道されました。[ 17 ] 1969年には、アポロ10号の夜明け前のTLIがオーストラリアのクロンカリーから 見えました。[ 18 ]それは霧の中の丘を越えてくる車のヘッドライトに似ていると表現され、宇宙船は緑がかった明るい彗星のように見えた。[ 18 ]
1990年、日本は初となる月探査ミッションを実施し、ひてん衛星を用いて月をフライバイし、はごもマイクロサテライトを月周回軌道に投入した。その後、6ヶ月の遷移時間（アポロ計画の3日間と比較して）を実現する、低デルタVのTLI方式を開発した。 [ 19 ] [ 15 ]： 179
軽量技術を実証するために設計された1994年の米国クレメンタイン宇宙船は、月周回軌道に入る前に2回の地球フライバイを含む3週間のTLI（月周回軌道投入）を行った。[ 19 ] [ 15 ]： 185
1997年、アシアサット3号は、打ち上げ失敗後、低デルタVで目的の静止軌道に到達するために月を2回周回することで、月の影響圏に到達した最初の商用衛星となった。 月面から6200km以内を通過した。[ 19 ] [ 15 ]： 203
2003年に打ち上げられたESAの技術実証衛星SMART-1は、月周回軌道に乗った最初の欧州衛星となった。静止遷移軌道（GTO）に投入された後、太陽光発電式イオンエンジンを推進力として使用した。極めて低いデルタVのTLIマニューバの結果、この宇宙機は月周回軌道に到達するまでに13ヶ月以上、目標軌道に到達するまでに17ヶ月を要した。[ 15 ]： 229
中国は2007年に初の月探査ミッションを開始し、嫦娥1号探査機を月周回軌道に乗せた。同探査機は複数回の噴射によって遠地点を徐々に上昇させ、月近傍に到達した。[ 15 ]： 257
インドは2008年にこれに続き、チャンドラヤーン1号を静止トランスファ軌道（GTO）に打ち上げ、中国の宇宙船と同様に、複数回の噴射によって遠地点高度を上昇させた。[ 15 ]： 259
イスラエル航空宇宙産業の軟着陸機ベレシートは、2019年にこの操作を試みたが、月面に墜落した。
2011年、NASAのGRAIL衛星は、太陽・地球L1点を通過する低デルタVの月へのルートを使用し、3か月以上を要した。[ 15 ]： 278
この記事には、米国航空宇宙局のウェブサイトや文書からのパブリックドメインの資料が含まれています。