月探査軌道は数多くあり、賢く選択することが鍵となる

最近、NASAは「アルテミス計画」の枠組みの下で初の月探査衛星を打ち上げました。初めて月周回特別軌道に挑戦するが、飛行中に連絡が途絶え、注目を集めた。実際、宇宙船が選択できる月探査軌道には多くの種類があり、さまざまなミッション要件を満たすことができます。人類の月探査・開発が徐々に最高潮に達するにつれ、月探査軌道の選択、設計、維持がますます重要になってきています。では、月探査軌道の選択の根拠は何でしょうか?異なる月探査軌道の利点は何ですか?

月面宇宙ステーション向けに特別に設計

6月28日、米国のキャップストーン衛星がエレクトロンロケットでニュージーランドから打ち上げられた。このキューブ衛星の重量は約25キログラムで、月面自律測位システムの技術運用と航行実験を行う予定。その主な目的は、将来の月面宇宙ステーションの運用軌道をテストすることです。具体的には、約4か月で月付近に到着し、近線形ハロー軌道に入り、試験作業を行う予定だ。

月に向かうアメリカのキューブサットの模式図

ほぼ直線状のハロー軌道は非常に洗練された設計で、宇宙船は月を周回するのではなく、地球-月 L2 点を周回します。地球-月L2点は、地球から月までの延長線上にあり、月から65,000キロメートル離れています。そこでは宇宙船に対する地球と月の重力が均衡しており、位置を維持するために使用される燃料が少なくなります。

しかし、外力の影響で探査機が地球-月L2地点に安定して留まることが難しく、月に遮られて地球と直接通信できない状態となっている。これに対応して、科学者たちは宇宙船専用のハロー軌道を設計しました。

ハロー軌道は非共面の三次元不規則曲線という複雑な形状をしており、宇宙船の制御を困難にしています。地球から見ると、宇宙船の軌道は光輪のように見えるため、軌道と呼ばれます。

ハロー軌道には多くの種類があり、ミッションの要件に応じて宇宙船を特別に設定することができます。公開情報によると、嫦娥4号のミッション中、鵲橋中継衛星はZ軸振幅約1万3000キロのハロー軌道に入り、鵲橋が地球と月の裏側の両方を観測するのに役立ち、通信接続を確立することに成功し、人類探査機の月裏への初の軟着陸の強固な基盤を築いた。

「アルテミス計画」では、ゲートウェイ月面宇宙ステーションが非常に重要な役割を果たします。将来の通信中継局、月面探査中継局、火星と深宇宙を行き来するための中継局、深宇宙探査技術の試験場などです。 NASAは、月面着陸を容易にし、宇宙飛行士や貨物の往来に便利で、深宇宙への進入が容易で、宇宙ステーションの設置や計測・制御に便利であることなど、その軌道に多くの要件を提示している。

将来の米国ゲートウェイ月宇宙ステーションのイメージ

これほど多くの要件をどうやって達成するのでしょうか?科学者たちは、近地点が約 4,000 キロメートル、遠地点が約 75,000 キロメートルの、ほぼ直線的なハロー軌道を意図的に設計しました。

一方、ここから地球軌道と月軌道への往復にはわずかな速度増加しか必要とせず、宇宙ステーションの軌道を維持するためのコストも比較的小さい。

一方、軌道上の熱環境は安定しており、宇宙ステーションの長期運用が容易になります。軌道面は基本的に地球と月の線に対して垂直であり、遮るものが全くないため、地球との通信は非常に容易です。また、月の極地も十分にカバーしており、月の南極への着陸ミッションの遂行に役立ちます。

この特別な軌道はこれまで宇宙船が使用したことがなく、特定の打ち上げ日の選択と精密な飛行制御技術の習得が必要です。キャップストーン衛星の主なミッションの 1 つは、この軌道に到達するために必要な操作を実証し、アルテミス計画への道を開くために 6 か月間テスト データを収集することです。

月探査軌道にはさまざまな種類がある

月の軌道は非常に重要な宇宙資源であり、月の探査や資源開発に大きな価値を持っています。 1966年4月3日、ソ連のルナ10号探査機が初めて月周回軌道に入った。それ以降、探査機は月を通過する短い瞬間に写真を撮るだけでなく、月を安定して周回し、継続的に画像を取得し、検出解像度を継続的に向上させることができました。

月の軌道は、宇宙船の軌道の中心に応じて、月軌道、地球-月平衡点付近の軌道、地球-月周期軌道に分けられます。

月の軌道は月を中心とし、低月円軌道、高月円軌道、月大楕円軌道などがある。

低月軌道は月探査ミッションで最も一般的に使用されます。月の表面からは100～300キロメートル離れています。この宇宙船は月面の高解像度の撮影と高精度の検出を実現できます。また、月面着陸ミッションにとって重要な遷移軌道でもあります。我が国の嫦娥1号は高度200キロメートルの円軌道で運用されており、我が国の嫦娥2号、日本のかぐや、インドのチャンドラヤーン1号はいずれも高度100キロメートルの円軌道で運用されています。

日本の「月の女神」月探査のレンダリング

月の重力場は地球の重力場よりもはるかに複雑であることは注目に値します。探査機の軌道が低い場合、すぐに円軌道から楕円軌道に進化するでしょう。

高度200キロメートルにある月極円軌道探査機は、2か月の運用後、近地点高度を約20キロメートル下げることになる。探査機は定期的に燃料を消費し、軌道高度を維持する必要がある。そうしないと、月に墜落してしまう。

高月円軌道は低月円軌道に似ていますが、より高く、数千キロメートルに達します。その利点は、月の非球面重力摂動の影響を受けにくく、長期飛行中に探査機の軌道が変形しないという点です。将来的には月面航行・通信衛星群を設置するのに理想的な場所になると期待されています。

月の高度楕円軌道は月の赤道付近を周回し、公転周期は約 14 時間です。その利点は、低い月の円軌道に入って地球に戻るのに必要な速度の増加がそれほど変わらず、将来の火星移転ミッションも考慮できることです。

月軌道のほか、米国のキャップストーン衛星や将来の月面宇宙ステーションが位置するほぼ直線のハロー軌道も地球月平衡点付近の軌道に属し、軌道の中心は地球月平衡点となっている。

地球-月軌道は、地球と月を軌道の中心として、近地点が数百または数千キロメートル離れ、遠地点が数十万キロメートル離れた大きな楕円軌道です。探査機は定期的に両者の間を往復し、地球と月両方の科学的探査を実施できる。

トラックの設計には秘密がある

月の軌道には多くの種類があり、それぞれに独自の用途があります。鍵となるのは、ミッション要件に基づいて適切な宇宙船の軌道を設計し、半分の労力で 2 倍の結果を達成することです。

公開情報によると、嫦娥1号の軌道設計には多くの要素が考慮された。月面全面観測を実現するために月極軌道を選択し、より高解像度で同等の解像度の月画像を取得するために高度100～200キロメートルの円軌道を採用した。同時に、月の長い自転周期を利用し、探査機の隣接する軌道間の最大距離は35キロメートルとなり、月全体をカバーするのに27日かかります。

嫦娥1号は月の重力場の異常性を考慮して高度200キロの軌道を採用し、2カ月ごとに軌道を調整し、予想寿命を超えて1年4カ月間運用された。嫦娥1号は我が国の月周回軌道設計において技術革新を実現し、その後のミッションのための強固な基礎を築いたと言える。

嫦娥2号ミッションでは、より高解像度の画像を取得することに加え、嫦娥3号の月面軟着陸に向けたデータや技術の準備も必要だ。

嫦娥2号は、100kmと100/15kmの2つの月周回軌道で設計されました。探査機はまず100キロメートルの円軌道で高解像度の満月の画像を取得し、その後月の近くで3回ブレーキをかけ、楕円軌道に入った。 15キロメートルの近地点がちょうど月の虹湾を通過したところです。嫦娥2号は上空を飛行する短い時間を利用して、事前に選択された着陸地点の1メートル解像度の画像を取得しました。

中国の嫦娥5号アセンダが軌道衛星とランデブーしドッキング

嫦娥5号の無人サンプルリターンミッションでは、探査機はまず210キロメートルの円軌道に入り、その後着陸機は2回の軌道低下操作を行って200/15キロメートルの楕円軌道に入り、15キロメートルの近地点で月面への軟着陸手順を開始した。

サンプル採取が完了すると、アセンダはまず180/15キロメートルの楕円軌道に入り、その後高度210キロメートルまで飛行し、そこで待機している月探査機とランデブーしてドッキングし、月のサンプルを移送します。この一連の複雑な軌道操作を通じて、月サンプルリターンミッションは完了しました。

将来、航空宇宙技術の継続的な発展により、月は深宇宙への飛行のための中継基地となり、太陽系や宇宙空間への人類の探査のニーズを満たすために、より洗練された月軌道が開発されるでしょう。

その時までに、さまざまな目的の宇宙船がそれぞれの軌道上を整然と走り、星空を観察したり、深宇宙へ向かったりする姿を見ることができるでしょう。それはなんと素晴らしい絵でしょう。