宇宙ステーションではなぜ無重力状態なのでしょうか?無重力は「体重が減る」ことを意味しますか？

宇宙飛行士による宇宙授業により、私たちは宇宙ステーションの微小重力環境によってもたらされる多くの不思議な現象を観察することができました。微小重力環境とは、物体の重量がゼロに近い環境を指し、無重力環境と呼ばれることもあります。しかし、なぜ宇宙ステーションでは無重力状態なのでしょうか?この質問をもう少し広げてみましょう。地球を周回する宇宙船とその中の物体はなぜ重さが減るのでしょうか?

中国の宇宙ステーションにいる宇宙飛行士たち（写真提供：中国有人宇宙飛行公式サイト）

まず、よくある誤解をいくつか見てみましょう。

誤解1：地球を周回する宇宙船は、地球の重力と円運動によって生じる遠心力の両方の影響を受けます。 2 つの力の合力はゼロなので、宇宙船は無重力になります。

エラーの原因: ニュートンの第一法則によれば、外力がない場合 (正味の力がゼロの場合も含む)、物体は等速直線運動を維持するか、静止したままになります。しかし、宇宙船は地球を周回しているので、上記の記述は真実ではありません。実際、遠心力は実際の力ではなく、仮想的な力です。太陽の圧力、地球の大気の抵抗、月の重力などの非常に小さな力を考慮に入れなければ、宇宙船が軌道を周回しているときに影響を受けるのは、地球の重力という 1 つの大きな力だけです。

誤解2: 宇宙船は地球から比較的遠く離れており、地球からの重力の影響はほとんど受けないため、無重力状態です。

エラーの原因: 宇宙ステーションを例にとると、宇宙ステーションは地上から約 400 キロメートル離れており、重力加速度は地上の約 89% です。つまり、この軌道高度で宇宙ステーションとその内部の物体にかかる重力は、地上の重力の 89% になります。宇宙ステーションが地球を離れて深宇宙に飛び出すのではなく、地球の周りを飛行するのは、まさにこの地球の重力の 89% が存在するからです。

では、なぜ宇宙ステーションでは無重力状態なのでしょうか?無重力とは、物体に対する支持力または引っ張る力が物体の重力よりも小さいことを意味します。重さと重力は2つの概念です。重力は重力加速度にのみ関係します。理論的には、地球上の同じ高さでは重力は変化しません。重量は、測定ツール（スケールなど）によって測定される力、つまりスケールが測定対象物に与える支持力として簡単に理解できます。物体が支えを失うと、その重さはゼロになり、無重力状態になります。実際の例を挙げると、エレベーターが急降下すると、エレベーターに乗っている私たちは短時間、無重力状態を感じます。これは、エレベーターが停止しているとき、エレベーターとエレベーター内の人々に対する支持力と重力が等しいためです。エレベーターが下向きに加速すると、エレベーターとエレベーター内の人に対する支持力は重力よりも小さくなります。体重計の上に立ってエレベーターに乗ると、エレベーターが上下するときの体重の変化を観察できます。

現在、微小重力環境を作り出すために最も一般的に使用されている方法は、落下塔、飛行機、ロケット、宇宙船の 4 つです。一番わかりやすいのはドロップタワーで、高いところから物体を発射して垂直に落下させるというものです。物体が自由落下しているときは、他の支持力や引っ張る力がなく、重力のみの影響を受けるため、無重力の状態になります。ドイツのブレーメン大学にあるドロップタワーの高さは146メートルです。 「落下モード」では、実験システムは120mの高さから放出され、システム内の物体は4.74秒の微小重力時間を得ることができます。 「排出モード」では、実験システムはタワーの頂上まで垂直に排出され、その後自由に落下します。システム内の物体は最大 9.3 秒間の微小重力時間を得ることができます。

ドイツ、ブレーメン大学の崩壊する塔（写真提供：ESA 公式サイト）

無重力航空機の原理は、ドロップタワーの「射出モード」の原理に似ています。微小重力は放物線飛行によって達成されます。軌跡は下の図に示されています。航空機のエンジンは中間部で停止します。前半は慣性力に頼って上昇状態を維持しますが、速度は徐々に低下します。頂上に到達した後は加速して下降します。つまり、減速上昇中および加速下降中の航空機は無重力状態にあります。このとき、機体の加速方向は下向き、つまり受ける合力の方向は下向き、つまり重力が揚力（機体に対する空気の支持力）よりも大きくなるため、無重力環境が実現されます。

無重力航空機の飛行経路（画像出典：Wikipedia）

同様に、宇宙ステーションが無重力である理由は、それが重力のみの影響を受け、他の支持力がないためです。実際に地面に向かって落下している状態です。これは理解しにくいようですが、宇宙ステーションは明らかに地球の周りを回っているのでしょうか?

宇宙ステーションは確かに地面に向かって落下していますが、地球は球体であり、宇宙ステーションが地面に向かって落下すると、地球の地平線も下がります。宇宙ステーションが第一宇宙速度に達した後、その降下速度は地平線の下降速度と同じになり、地球に再び落下することはありません。

もちろん、これは理論上の状態です。宇宙ステーションが軌道上を飛行しているとき、太陽と月の重力、太陽風、大気抵抗の影響を受け、速度が継続的に低下し、軌道高度も継続的に低下します。そのため、地上の飛行管制官は、宇宙ステーションが地球に落下しないように、エンジンブーストで定期的に軌道を維持することになる。