月へはどの道ですか?

最近、「アルテミス1」が成功裏に終了しました。準備段階では紆余曲折がありましたが、実装プロセス全体は非常にスムーズでした。 「道は何千もあるが、安全が一番だ」ということわざがあります。では、月まで飛ぶための道はいくつあるのでしょうか?この問題を理解するには、地球から月までの歩みについて話す必要があります。

一般的に、地球から月に到達するには 3 つのステップがあります。最初のステップは、地球の重力から解放されて衛星になること、つまり、まず地球の軌道に入ることです。最後のステップは月面に着陸することですが、その前にまず月の重力に捕らえられ、つまり月の軌道に入らなければなりません。 3 番目のステップは、飛行機の離着陸と同様に、最初のステップの逆のプロセスと考えることができます。これら 2 つのステップの間の 2 番目のステップは、地球から月へ飛ぶことです。飛行軌道は、一方の端で地球の軌道、もう一方の端で月の軌道を結ぶため、地球・月トランスファー軌道とも呼ばれます。

この乗り継ぎ経路の選択には多くの知識が必要であり、これは飛行機を選択するときに直面するジレンマと非常によく似ています。出発地と目的地は同じですが、最短のフライトは最も高価で、最長のフライトは安価です。お金を節約するために、遠い場所まで飛行機で行き、そこから目的地まで乗り換えなければならないこともあります。次に、地球と月の間の移動方法について見てみましょう。

「直接転送」は最短時間で

直接転送は、月への転送方法として最も速く、最も一般的に使用されている方法です。キャリアはまず宇宙船（探査機または有人宇宙船）を月の低地球駐機軌道に送り、その後宇宙船自身の主エンジンまたは上段ロケットで地球-月トランスファー軌道に送ります。この軌道は、両端が地球と月の軌道に接続された急勾配の曲線のように見えます。まっすぐ往復し、経路も非常に短いため、「直送」と呼ばれています。最短経路を取ることが目標であるため、宇宙船は月への飛行中に常に飛行方向を修正し、速度を上げなければなりません。これには宇宙船が大量の燃料を積むことが必要になります。宇宙船が運ぶ燃料が多ければ多いほど、打ち上げ重量が重くなり、必要な運搬船のトン数も大きくなり、月への宇宙ミッション全体のコストも高くなります。宇宙船の燃料をできるだけ節約するために、無人月探査機が使用できる、より適切な経済的な直接トランスファー軌道がホーマントランスファー軌道です。さまざまな直接遷移軌道を使用すると、飛行時間は 2 日から 5 日間になります。月の軌道と地球の軌道の間には一定の角度があるため、中・高緯度地域の発射場から直接輸送する宇宙船を打ち上げる方が適切です。中国の月探査機のほとんどが西昌から打ち上げられるのはそのためです。

直接移動は飛行時間が短いため、有人月面着陸活動に非常に適しています。宇宙飛行士は宇宙放射線環境への被ばくを最小限に抑えることができます。その後の有人月面着陸活動の検証を兼ねた初期の月面探査活動でも​​直接転送が利用されることは理解できます。結局のところ、宇宙飛行士をモルモットとして使うことはできない。無人探査機はまずルートを把握する必要がある。そのため、ソ連の「ルナ」探査機シリーズ、月探査ミッションを遂行した「プローブ」シリーズの宇宙船、米国の「レンジャー」シリーズ、「プロスペクター」シリーズ、「ルナ・オービター」シリーズの探査機、中国の「嫦娥」シリーズの探査機は、すべて直接遷移軌道を使用して月まで飛行しました。現在、人類による唯一の月面着陸に成功した「アポロ」シリーズのすべての宇宙船は、直接のトランスファー軌道を使用しただけでなく、最大かつ最重量の打ち上げロケット「サターンV」を直接生み出しました。

経済的な「間接移転」

宇宙船が地球の軌道に送り込まれる高度が高くなるほど、消費するエネルギーも増えます。高軌道の軌道速度は非常に低いですが、軌道エネルギーは非常に高くなります。ここから月へ飛行すれば、宇宙船自体が運ぶ燃料を大幅に節約できるでしょう。

もちろん、月探査宇宙船を高軌道に送るには多少のコストがかかりますが、高軌道打ち上げによる「余剰能力」を活用するのは非常に「経済的」です。 ESA は、この種のヒッチハイクによる「間接的な移転」を強く支持しており、多くの研究と試みを行ってきました。静止軌道の高度は36万キロメートルですが、地球と月の平均距離は38万キロメートルです。ここから月へ飛ぶのにとても適しているようです。

しかし、静止軌道面と月軌道面の間の角度が大きいため、宇宙船はこれら 2 つの面間を移動するときに飛行軌道を変更するために驚くほどの量の燃料を消費する必要があります。直接送金に比べると経済性はそれほど優れていません。そのため、ESAの科学者たちは、別の間接的な移転方法を考案した。それは、地球から100万キロメートル離れた地球・太陽ラグランジュL1点に達するほど高い地球軌道に飛行するというものだ。これは、地球と月の間の最遠距離の2倍以上である。宇宙船はそこで地球の軌道面から月の軌道面への移行を完了し、その後月の高楕円軌道に切り替えるため、多くの燃料を節約できる。このプロセスは、難しいがそれほど高くない山を登るのと非常に似ています。登りやすい高い山の中間地点までケーブルカーに乗って、そこから自力で山頂まで登り、そして高い山の頂上からそれほど高くない山にパラシュートで着陸しなければなりません。

2003年9月27日、ESAの「スマート1」月探査機が「アリアン5」ロケットに搭載されて宇宙に打ち上げられました。この月探査機は非常に小さく、断面積はわずか1平方メートルで、搭載された燃料はわずか80キログラムで、従来の炭化水素ロケット燃料ではなく、液化キセノンでした。静止軌道に到達した後、「インテリジェンス 1」は独自のイオンスラスタを使用して、地球を周回しながら次第に平坦になる楕円軌道に沿ってゆっくりと加速し始めました。 1年以上を経て、2004年11月11日についにラグランジュL1点の通過に成功し、月周回軌道に向けて「降下」を開始しました。探査機は4日後にようやく月の近月軌道に到達し、極軌道に沿って月のリモートセンシング測定を開始した。 「スマート1」は月までの10か月以上の飛行中に、わずか60キログラムのキセノン燃料を消費し、静止軌道を利用した地球と月の間の「間接転送」の実現可能性と経済性を完全に検証しました。

魔法の「弱い平衡境界転移」

上記の「間接遷移」を基礎として、経済効率をさらに高めたいのであれば、遷移軌道から月軌道への軌道変更で消費されるエネルギーも節約しなければなりません。ご存知のとおり、エネルギーは変換することはできても消滅することはできません。では、この節約されたエネルギーはどこから来るのでしょうか?ダークフォースを少しでも利用するには、「弱い平衡境界」にある太陽や月の重力から少しの力を借りる必要があります。この「弱い平衡境界」とは、「地球と太陽」または「地球と月」の重力が均衡している領域を指します。非常に小さな乱れでも物体の軌道が変わることがあります。この領域は「無秩序な軌道」領域とも呼ばれ、軌道の変化が起こりやすい領域です。これまでの「間接遷移」軌道計画では、すでにラグランジュ点まで飛行しているため、太陽や月の力を利用し、重力を利用して月軌道への移行を完了し、遠地点から月軌道への移行のために燃料をいくらか節約する方がよいでしょう。これは、非常に神秘的に聞こえる「弱い平衡境界」転移です。実際、日本は1990年に月探査機「ひてん」を打ち上げた際に、この方法で月まで飛ぶことに成功している。「スマート1」よりも小型のこの探査機は、半年以上にわたる飛行を経て月極軌道の周回に成功しただけでなく、月周回軌道上に「はごろも」と呼ばれる子衛星を放出しており、この地球・月遷移軌道がいかに燃料を節約するかを示している。

この記事の冒頭の有人月面ミッションに戻ると、移動時間を短縮し、多くの不確実性が宇宙飛行士に与える影響を軽減するために、このタイプのミッションでは、最も安全で便利な直接トランスファー軌道がよく使用されます。