宇宙飛行と軌道の仕組み

宇宙へ高く上がることと、地球の周りを回り続けることは違います。軌道飛行では、重力の下で落下しながら地表へ届かないだけの横向きの速度が重要になります。宇宙航行を運動量とエネルギーから考えます。

周回は自由落下の一種

物体を横へ投げると、重力で軌道が曲がります。十分速く進めば、落下する間に地球の表面も曲がって遠ざかり、周回が続きます。低い地球軌道にも強い重力は残っており、重力がゼロになったから浮くわけではありません。宇宙船と内部の人が一緒に自由落下するため、床が人を押す力が小さくなります。空気抵抗や船内の振動などによる小さな加速度はあります。

ロケットは何を押して進むか

ロケットは排気を後方へ放出し、運動量保存により前方へ加速します。周囲の空気を押す必要がないので真空でも動きます。化学ロケットは燃料と酸化剤を運びますが、その分だけ機体は重くなります。理想的な速度変化は排気速度と初期・最終質量の比に依存し、必要な速度変化を増やすほど推進剤の負担は大きくなります。段を切り離すのは不要になった重さを減らす工夫です。

速くする場所で結果が変わる

円軌道上で進行方向へ短く加速すると、その点を低い側とする楕円軌道へ移り、反対側の高度が上がります。高い円軌道へ移るには、通常さらに別の地点で速度を調整します。「高度を上げたいから常に真上へ噴射する」とは限りません。軌道を変えると周期も変わり、目標との位置関係に影響します。ランデブーでは相手の現在位置だけでなく、双方の将来の運動を計算します。

惑星間飛行と重力アシスト

惑星間の移動では、出発と到着の惑星の位置に適した打上げ時期があります。重力アシストでは、動く惑星との近接通過によって、太陽を基準にした探査機の速度と進行方向が変わります。エネルギーが無から生まれるのではなく、惑星の軌道運動とのやり取りです。惑星自身への変化は非常に小さいため実用上無視できます。軌道、時間、燃料、通信条件の間で設計上の選択が生じます。

到着と帰還も飛行の一部

目的地を通り過ぎるフライバイと、周回軌道へ入ること、着陸することは必要な減速量が異なります。大気圏再突入では高速の運動エネルギーが周囲の気体の加熱などへ変わり、機体の熱防護が必要です。高度が低すぎても高すぎても計画通りに減速できないことがあります。軌道設計だけでなく、電力、放熱、通信の遅れ、姿勢制御を含めて初めて飛行計画になります。

関連項目