遅く発売して早く到着？月探査軌道の謎

インドの探査機チャンドラヤーン3号は7月25日、5回目の地球周回軌道への上昇を完了し、8月1日に地球・月遷移軌道に入り、8月23日に月面着陸する予定である。また、ロシアは8月11日にルナ25号探査機を打ち上げる予定であり、8月21日に月面着陸する予定である。ロシアの探査機はインドの探査機より約1か月遅れて打ち上げられたのに、なぜもっと早く月面着陸できる可能性があるのだろうか。宇宙船の月探査軌道の選択に影響を与える要因は何ですか?さまざまな月探査軌道にはどんな謎が隠されているのでしょうか?

記録を掴むために「争奪戦」

7月14日、インド宇宙機関はサティシュ・ダワン宇宙センターからLVM3ロケットを使用してチャンドラヤーン3号探査機を宇宙に打ち上げた。チャンドラヤーン3号の打ち上げ質量は、推進モジュール、着陸機、月面車を含めて約3.9トンである。このうち推進モジュールは重量が2トンを超え、着陸船と月面車を高度100キロメートルの月周回軌道に送る役割を担っている。着陸機の重量は約1.75トンで、800ニュートンの可変推力エンジンを4基搭載している。月面探査車の重量は26キログラムで、月の南極地域を移動して活動することが計画されている。

インドのチャンドラヤーン3号はフェアリングの設置を予定している

インド側は、「チャンドラヤーン3号」の費用は約7,300万ドル、設計寿命は14日で、月面への安全な軟着陸技術の検証、月面の巡回、月面での現地科学実験の実施という3つの主要目標を達成すると主張した。

もしロシアが「近距離で追い越していなかった」なら、インドは月面への宇宙船の軟着陸を成し遂げた4番目の国となり、月の南極に着陸した最初の国になっていただろう。残念ながら、インドの月への旅は順風満帆ではなかった。

例えば、LVM3はインドの最も強力なロケットだが、地球・月間トランスファー軌道への積載量はわずか2トン程度で、チャンドラヤーン3号を地球・月間トランスファー軌道に直接送り込むことはできない。

そのため、「嫦娥3号」はまず地球周回飛行の位相調整段階に入り、5回の大きな楕円軌道操作を経て、地球軌道の遠地点を徐々に引き上げ、地球・月遷移軌道に入った。

問題は、チャンドラヤーン3号が初期段階でスムーズに軌道に入らなかったことだ。計画によれば、当初は近地点高度170キロメートル、遠地点高度36,500キロメートルの楕円軌道に入るはずだった。軌道投入精度が不十分だったため、チャンドラヤーン3号は近地点高度138キロメートル、遠地点高度36,300キロメートルの軌道に入った。近地点高度は予想より32キロメートル低く、安全ではないと思われた。

インド宇宙機関は一連の軌道調整を緊急に実施した。幸いなことに、5回の軌道操作の後、チャンドラヤーン3号の軌道高度は正常に戻り、地球-月遷移軌道に入る準備が整っています。探査機が予定通り8月23日に到着し、予定通りに着陸すれば、月までの旅は全部で40日間かかることになる。

インドのチャンドラヤーン3号月探査軌道の模式図

しかし、ロシアの航空宇宙専門家の目には、「チャンドラヤーン3号」は「早起きして遅刻」したケースである。ロシアの月探査機「ルナ25号」は8月11日に打ち上げられる予定だ。ロシアは1976年の「ルナ24号」打ち上げ以来、半世紀ぶりに再び月探査に臨む。また、月の南極地域に着陸し、水氷の痕跡を探したり、月の極域外気圏の塵プラズマ研究を実施したりすることも計画されている。

さらに、「ルナ25」のもう一つの重要な目標は、ロシアの深宇宙探査と月探査工学システムを「訓練」し、それによって航空宇宙技術資源を統合し、優秀な人材チームを育成・訓練し、その後の月探査、さらには月面基地の設立のための基礎を築くことです。

ロシアのロケットの強力な積載能力と「ルナ25号」の打ち上げ質量がわずか1.75トンであることから、探査機は地球・月間のトランスファー軌道に直接入り、8月17日頃に月を周回し、8月21日に月面に着陸する見通しだ。インドとロシアが、月の南極地域への初の着陸の世界記録を競い合うことになりそうだ。

ロシアのルナ25号はボストチヌイ宇宙基地で試験中

月面探査経路の賢い選択

インドとロシアの月探査ミッションを単純に比較するだけで、月探査の経路とその影響が大きく異なることがわかります。

実際、月面探査には、硬着陸、軟着陸、月周回軌道が含まれます。月探査飛行軌道は、特定のタスクと組み合わせると、大まかに、打ち上げ、位相調整、地球・月間の移動、月周回、月面着陸という相互に関連する 5 つのセグメントで構成されます。

その中で、地球・月トランスファー軌道は非常に重要であり、探査機が地球から月まで飛行するのに最も便利な経路であると考えられています。この軌道の近地点と遠地点は、それぞれ探査機の地球周回軌道と月軌道に接しており、探査機は約 4 日間の飛行後に近地点に到達し、その後月の重力場に「突入」して月に捕獲されることになります。

各国の月探査活動を見ると、探査機は主に2つのルートを選んでいます。 1つは段階的多軌道投入で、ロケットが探査機を地球の周りの大きな楕円軌道に送り込み、その後探査機が地球-月遷移軌道まで加速し、その後月へ飛行する。この選択の「裏の意味」は、一般的に、ロケットの積載能力が不十分であり、主に無人の月面探査ミッションに使用されるということである。

公開情報によると、我が国の探査機「嫦娥1号」は月に到達するためにこの道を選んだという。長征3Aロケットは探査機を近地点高度200キロメートル、遠地点高度5万1000キロメートルの地球を周回する大きな楕円軌道に乗せた。その後、探査機は軌道を4回変更し、地球・月間遷移軌道に入った。 100時間以上飛行した後、近地点に到達した。

このモードでは、探査機が軌道を調整し、打ち上げやその他の要因によって生じた誤差を排除しようとする機会が複数あることは容易に理解できます。軌道変更が開始されるたびに、地球に対する探査機の位置は基本的に変わらないため、地上チームが探査機の軌道変更プロセスを監視しやすくなります。しかし、このモードでは探査機の飛行時間が長くなることは間違いなく、有人月面探査活動には役立ちません。

2つ目は直接軌道投入、つまりロケットが探査機を地球・月間のトランスファー軌道に直接送り込むことです。例えば、我が国の月探査機「嫦娥2号」は長征3丙ロケットで打ち上げられ、地球・月間のトランスファー軌道に直接入り、月に到達する時間を大幅に短縮しました。それ以来、このモデルは我が国のすべての月探査活動に選ばれてきました。

この方法を選択すると、探査機の飛行時間を短縮し、燃料を節約できますが、測定および制御ネットワーク、コマンドおよび通信、ロケットの搭載能力、および軌道精度の分散に非常に高い要求が課せられます。理論的には、探査機が地球・月遷移軌道に入るときに速度誤差が毎秒1メートル、高度誤差が1キロメートルあると、月の近くに到達したときに位置誤差は数千キロメートルに達する可能性がある。

米国のアポロ計画では、有人宇宙船も地球・月間のトランスファー軌道に直接入りましたが、ミッションの信頼性を高めるために、数字の「8」の形をしたいわゆる「自由帰還軌道」を選択しました。つまり、宇宙船が月に到達したときに減速効果が良くない場合は、自動的に地球に帰還できるのです。

この軌道設計は、アポロ13号のミッションで重要な役割を果たしました。当時、宇宙船は酸素供給不足や主エンジンの停止など、宇宙空間で一連の故障に見舞われた。地上管制センターの支援により、宇宙飛行士たちは宇宙船を自由帰還軌道に「押し込み」、無事に帰還した。

トラック最適化には幅広い展望がある

地球・月トランスファー軌道は、地球と月の間を飛行するための最短経路ですが、宇宙船が軌道に入る速度に高い要求が課せられます。直接打ち上げであれ、段階的な複数軌道投入であれ、探査機が地球・月間のトランスファー軌道に入るには、毎秒約500メートルの速度増加が必要であり、かなりのエネルギーを消費する。

1990年、日本は月探査機「ひてん」を打ち上げ、エネルギー消費の少ない月周回軌道を探査するため、初めていわゆる「弾道月トランスファー軌道」を採用した。

当時、探査機はまずロケットで月付近まで打ち上げられ、その後、月の重力を利用して、太陽地球線上で地球から約150万キロ離れた場所まで逆方向に飛行させられました。その後、太陽の重力を利用して探査機の速度の方向を変え、探査機が軌道に乗るために必要な速度の増加を減らしました。

この月の探査と軌道投入の方法には長い時間がかかり、多くの場合 3 ～ 4 か月かかり、測定と制御の要件も高いため、燃料をほとんど搭載しない小型の月探査機に適しています。このタイプの軌道は、2004年の欧州宇宙機関のSMART-1探査機、2022年の米国のキャップストーン探査機、韓国のヒョンウォル探査機によって使用されました。

近年、各国が月探査を行っており、新たな月探査軌道の探索と設計は避けられない流れとなっている。米国の「アルテミス1号」ミッションでは、オリオン宇宙船が無人月面飛行試験を実施し、月面から6万4000キロ離れた大規模な逆行軌道に入った。このタイプの地球近傍月軌道は、長期安定性と軌道突入エネルギーが低いという特徴があり、将来的には有人月・火星ミッションの中継基地として運用されることが期待されています。

公表された報道によると、我が国の嫦娥5号探査機は月サンプルリターン支援の任務を完了した後、軌道試験ミッションを含む一連の拡張実験を実施し、月を周回する大振幅逆行軌道に入った。将来的には、同様の軌道と自由帰還軌道を組み合わせることで、有人宇宙船や無人探査機のミッションの信頼性が大幅に向上すると期待されています。

つまり、月探査軌道の設計は、輸送、計測、制御の能力、探査機自身の操縦性など、ミッションの具体的な状況に基づいて、探査機の飛行計画、燃料予算などを総合的に考慮する必要があります。探査機の開発段階では、搭載サブシステムのニーズを考慮し、軌道特性を分析し、飛行プロセスを最適化し、予備的な軌道設計を完了するとともに、故障計画やミッション拡大の可能性も考慮する必要があります。

月探査ミッションは現在、国際宇宙産業で人気のプロジェクトですが、多くの探査機が目的を達成できなかったという事実は、月探査ミッションが依然として高いリスクと大きな課題を伴うことを証明しています。人類の宇宙探査のペースは止まらない。人類にさらに貢献するために、月探査機によってさらに最適化された軌道が探索されるだろうと私は信じています。 （著者：楊士瑞、画像提供：インド宇宙機関、ロシア国家宇宙公社、レビュー専門家：中国航天科学技術公司科学技術委員会副委員長、江凡）