深宇宙探査機は目的地に到達する前になぜ旋回するのでしょうか?

海外メディアの報道によると、ESAと日本が共同開発した水星探査機「ベピコロンボ」は、2023年6月に再び水星上空を通過する予定だ。しかし、2018年10月に打ち上げられたこの探査機が最終的に水星周回軌道に入るのは2025年12月になる。ベピコロンボは7年以上にわたり、地球、金星、水星を定期的に通過する必要がある。では、なぜ深宇宙探査機は目的地に到達するために、目標地点まで直接飛行するのではなく、他の惑星を何度も通過しなければならないのでしょうか?

ベピコロンブ水星探査機の模式図

力が弱く、ぐるぐる回っている

水星の平均軌道半径は約5,790万キロメートルですが、地球の軌道半径は約1億5,000万キロメートルです。しかし、ベピコロンボは地球から水星まで直接飛ぶことはできず、太陽系を何度も周回しなければなりません。計画によれば、探査機は2018年10月の打ち上げ以来、地球を1回、金星を2回、水星を6回飛行し、水星の周回軌道に入る予定だ。

水星探査機ベピコロンボの飛行軌道の模式図

周知のとおり、2つの地点間の最短距離は直線であるため、ベピコロンボは周回に多くの時間を費やす必要があります。

地球も水星も太陽の周りを回っています。地球から水星への飛行は、衛星が地球の高軌道から低軌道へと軌道を変える減速プロセスに似ています。惑星の公転速度は地球の周りを回る衛星の軌道速度よりもはるかに速いため、軌道を下げることはより困難です。ベピコロンボが近日点5,790万キロメートル、遠日点1億5,000万キロメートルの太陽の周りの楕円軌道に直接打ち上げられる場合、探査機を地球の重力から逃れるための双曲線軌道に打ち上げる必要があるだけでなく、探査機に毎秒7キロメートル以上の残留速度を与えることも必要となる。

「ベピコロンボ」はアリアネ5ECAロケットを使用して打ち上げられました。地球の重力を離れた後の残りの速度はわずか 3.475 km/s で、速度要件の 7 km/s をはるかに下回っていました。探査機のエンジンを使って軌道を変えると、大量の燃料が消費される。したがって、最も実用的な方法は、大きな惑星の重力を利用して探査機の軌道を変えることです。

重力は探査機の軌道変更を助けます。探査機と惑星の相対速度は変化しないものの、探査機の速度の方向が変化するため、探査機が惑星に跳ね返ったかのような効果が生まれます。

軌道設計に応じて、惑星から放出された後に探査機の太陽に対する速度が増加または減少し、燃料なしで軌道を変更するという目標を達成します。重力支援探査機の軌道変更を実施することの効果は、時間と空間を速度と交換することです。結局のところ、探査機が惑星の重力を利用して周回したり軌道を変えたりするのは、電力不足による無力な選択だ。

重力軌道の変化は大きな価値を持つ

深宇宙探査の歴史を振り返ると、重力を利用した探査機の軌道変更が多くの​​ミッションにおいてかけがえのない役割を果たしていることがわかります。

一般的に言えば、地球から月や近くの金星や火星へ出発する探査機は、重力による軌道変更を必要としないが、木星などのより遠い天体は加速するために重力を必要とする可能性がある。例えば、米国の探査機ジュノーは地球をフライバイし、木星に向かう前に秒速3.9キロメートル以上に加速した。

地球の重力によってもたらされる毎秒3.9キロメートルの加速度がなく、探査機のエンジンのみを使用して同じ加速度を提供する場合、ジュノー探査機の乾燥重量は現在のレベルの数分の1にまで減少し、搭載できる検出ペイロードは非常に小さくなります。

米国の「マリナー10号」から「メッセンジャー」、そして「ベピコロンボ」まで、人類が打ち上げたたった3機の水星探査機はすべて重力を利用した軌道変更を採用しており、これはロケットや探査機の推進システムの限界を考えると最善の選択肢である。

水星や木星の探査機にとって、重力を利用した軌道変更は大きな利益をもたらす可能性があるが、それは目的地まで直接飛行できないことを意味するものではない。アメリカのボイジャー探査機は打ち上げ後すぐに木星へ向かい、その後のニューホライズンズ探査機も同様の飛行を行った。

人類は今のところ水星の軌道に直接飛べる探査機を持っていないが、アメリカが打ち上げたパーカー太陽探査機は、軌道に入った後、その近日点が水星の軌道の内側にある。

他のいくつかの深宇宙探査機にとって、重力を利用した軌道変更は不可欠な選択肢です。例えば、有名な太陽探査機「ユリシーズ」が打ち上げられ、木星の重力の力を借りて、その軌道面が黄道面に対して 80.2 度の角度の軌道に変わり、人類は初めて太陽の北極と南極を見ることができました。

新たな推進力は新たな機会をもたらす

大きな惑星の重力を利用して軌道変更を支援することは、現在、高い加速要件を伴う深宇宙探査を人類が実行するための好ましい選択肢です。既存の化学エネルギー推進システムと比較すると、惑星は太陽の周りを非常に速く周回するため、軌道変更に必要な速度増分は大きく、軌道傾斜角を変更するために必要な加速度も高くなります。したがって、重力を利用した探査機の軌道変更が現実的な最善の方法です。

探査機がより速く目的地に到達できるようにするため、人類は数多くの先進的な高比推力エンジンのコンセプトを開発し、提案してきました。これにより、「時間と速度の交換」による重力による軌道変更をなくす機会が生まれました。

最も実用的な新しい推進システムは、高比推力電気推進エンジンです。現在、ホール電気推進やイオン電気推進は、3000〜4000秒の高い比推力を達成できます。既存の電気推進エンジンの推力はまだ非常に小さいものの、実際の使用においては明るい応用の見通しを示しています。

米国の小惑星探査機「ドーン」は3基のNEXT電気推進エンジンを使用しており、これにより探査機の11年間の寿命を通じて総速度が毎秒10キロメートル以上増加した。このような加速能力は、従来のエンジンを使用する探査機では実現できないものです。

ドーン小惑星探査機の概略図

しかし、ドーンも火星の重力加速を通過し、より速い速度で小惑星帯へと向かった。将来、より大きな電気推進エンジンが開発されれば、深宇宙探査機の重力を利用した軌道変更の必要性は大幅に減少するでしょう。

現在、米国、ロシアなどでは数ニュートンの推力を持つ高推力電気推進エンジンの開発が進められている。いくつかのアメリカの企業も、可変比推力磁気プラズマロケットエンジン（VASIMR）という新しいコンセプトを開発しています。

米国はかつて、高出力の電気推進エンジンを使って宇宙飛行士を木星の衛星に着陸させるという大胆な構想を持っていた。電気推進エンジンの高比推力と高推力のおかげで、軌道設計時に地球や火星の重力に頼って軌道を変える必要がなくなり、探査機はより速く木星まで飛行できるようになります。

VASIMR エンジンは、比推力が 3,000 ～ 50,000 秒であるだけでなく、推力も簡単に増幅できます。出力20万キロワットのスーパーVASIMRエンジンを使用すれば、宇宙飛行士は最速39日で火星に到達できる。

将来、VASIMR エンジンが実用化されれば、ユリシーズのような太陽極探査機、あるいは太陽系の外を飛行する恒星間探査機は、軌道を変えるために大きな惑星の重力に頼る必要がなくなり、「力ずく」で目的地まで直接飛行できるようになります。 （著者：張雪松）