月周回軌道投入
月面到達に使用された推進操作
月周回軌道投入、透視図。TLIは地球近くの赤い点で発生します

月周回軌道投入（TLI ）は、宇宙船を月へ送り込むために用いられる推進マヌーバである。典型的な月周回軌道はホーマン遷移軌道に近いが、探査機「ひてん」のように低エネルギー遷移が用いられた例もある。[1]地球月系外からの大きな摂動を 受けない短期間のミッションでは、高速ホーマン遷移の方が一般的に実用的である。

宇宙船は、地球を回る低い円形の駐機軌道から月への移行を開始するためにTLIを実行する。通常、化学ロケットエンジンによって実行される大規模なTLI燃焼は、宇宙船の速度を増加させ、その軌道を円形の低地球軌道から非常に離心率の高い軌道に変更する。TLIに続くミッション段階、つまり宇宙船が自身の運動量で受動的に月に向かって飛行し、地球と月の重力の影響を受ける間は、月移行惰性走行と呼ばれる。[2]宇宙船が月移行アークで惰性走行を開始すると、その軌道は地球の周りの楕円軌道に近づき、遠地点は月の軌道半径に近い。TLI燃焼は、地球の周りを公転する月を正確に狙うようにサイズとタイミングが調整される。燃焼は、月が近づくにつれて宇宙船が遠地点に近づくようにタイミングが調整される。最終的に、宇宙船は月の影響圏に入り、双曲線の月スイングバイを行う。

自由帰還

月周回自由帰還軌道のスケッチ（縮尺通りではありません）

場合によっては、TLIを自由帰還軌道を目標として設計することが可能です。その場合、宇宙船は月の裏側を周回し、さらなる推進操作を必要とせずに地球に帰還します。[3]

このような自由帰還軌道は、最初のTLI噴射後、宇宙船が地球に「無償」で帰還するため、有人宇宙飛行ミッションの安全性と費用対効果に余裕をもたらします。アポロ8号、10号、11号は自由帰還軌道で開始されましたが[4]、その後のミッションでは、月に到達するために途中で軌道修正が必要となる、機能的に類似したハイブリッド軌道が採用されました[5] [6] [7] 。

モデリング

NASAのコンステレーションスタックが月周回軌道への噴射燃焼を行っている様子を示す概念図

パッチ円錐

TLIのターゲティングと月への遷移は、 n体問題の具体的な応用例であり、様々な方法で近似することができます。月への遷移軌道を探索する最も簡単な方法は、パッチ円錐法です。宇宙船は、月の影響圏に到達するまで地球の力によって支配され、古典的な2体力学の下でのみ加速すると仮定されます。パッチ円錐システムにおける運動は決定論的で計算が容易であるため、大まかなミッション設計や「ざっくりとした」研究に適しています。

制限円形三体（RC3B）

しかし、より現実的には、宇宙船は多くの天体からの重力の影響を受けます。地球と月からの重力が宇宙船の加速度を支配し、宇宙船自身の質量はそれに比べて無視できるほど小さいため、宇宙船の軌道は制限三体問題として近似する方が適切かもしれません。このモデルはより近似的ですが、解析解がないため[8] 、数値計算が必要です[9] 。

さらなる精度

より詳細なシミュレーションには、月の真の軌道運動、他の天体からの重力、地球と月の重力の不均一性、太陽放射圧などを含むモデリングが含まれます。このようなモデルで宇宙船の運動を伝播させるのは数値的に負荷がかかりますが、真のミッション精度には不可欠です

歴史

GRAIL-Aの軌道アニメーション
  GRAIL-  A   月    地球
チャンドラヤーン2号の軌道アニメーション
  地球 ·   月 ·   チャンドラヤーン2号
LRO軌道のアニメーション
  月探査機 ·   地球 ·   月

TLIを試みた最初の宇宙探査機は、 1959年1月2日に打ち上げられたソ連のルナ1号で、月への衝突を目的としていました。しかし、燃焼は計画通りには進まず、宇宙船は月の半径の3倍以上を逸れ、太陽中心軌道に投入されました。[10] ルナ2号は1959年9月12日、より正確に同じ操作を行い、2日後に月に衝突しました。[11]ソ連はこの成功を繰り返し、1959年から1976年の間にさらに22回のルナ計画と5回のゾンド計画で月へ向かいました。[12]

アメリカ合衆国は1962年1月26日、初の月面衝突探査機レンジャー3号を打ち上げたが、月面到達には失敗した。その後、1962年4月23日に初の月面着陸に成功したレンジャー4号が打ち上げられた。 [13] 1962年から1973年にかけて、27回の月探査ミッションが実施された。これには、5機のサーベイヤー着陸機、5機のルナ・オービター監視探査機、[14] : 166 、そして人類初の月面着陸を成し遂げた 9回のアポロ計画が含まれる。

アポロ月面ミッションでは、サターンVロケットの第3段S-IVBに搭載された再始動可能なJ-2エンジンによってTLIが行われた。このTLI噴射は約350秒間続き、速度は3.05～3.25 km/s（10,000～10,600 ft/s）変化した。この時点で宇宙船は地球に対して約10.4 km/s（34150 ft/s）で移動していた。[15]アポロ8号のTLIは、ハワイ諸島のワイキキ南方の夜明け前の空で壮観に観測され、翌日には写真に撮られて新聞で報道された。[16] 1969年には、アポロ10号の夜明け前のTLIがオーストラリアのクロンカリーから 観測された。[17]それは霧の中の丘の上からやってくる車のヘッドライトに似ており、宇宙船は緑がかった明るい彗星のように見えたと説明された。[17]

1990年、日本は初の月探査ミッションを開始し、ひてん 衛星を用いて月を通過し、超小型衛星「はごろも」を月周回軌道に投入しました。その後、日本は6ヶ月間の転送時間（アポロ計画では3日間）を実現する、低デルタvのTLI方式を新たに開発しました。[18] [14] : 179 

1994年のアメリカのクレメンタイン宇宙船は軽量技術を披露するために設計され、月周回軌道に入る前に2回の地球フライバイを含む3週間のTLIを実施しました。[18] [14] : 185 

1997年、アジアサット3号は打ち上げ失敗後、低デルタVの方法で月を2回通過し、月の影響圏に到達した最初の商用衛星となった。月面から6200km以内を通過した。[18] [14] : 203 

2003年にESAが打ち上げたSMART-1技術実証衛星は、月を周回した最初のヨーロッパの衛星となった。静止トランスファー軌道（GTO）に打ち上げられた後、推進には太陽光発電イオンエンジンを使用した。極めて低いデルタvのTLIマヌーバの結果、宇宙船は月周回軌道に到達するまでに13ヶ月以上、目標軌道に到達するまでに17ヶ月を要した。[14] : 229 

中国は2007年に初の月探査ミッションを開始し、嫦娥1号宇宙船を月周回軌道に投入した。複数回の噴射により、ゆっくりと遠地点まで上昇させ、月近傍に到達した。[14] : 257 

インドは2008年にチャンドラヤーン1号をGTOで打ち上げ、中国の宇宙船と同様に、複数回の噴射で遠地点まで到達した。[14] : 259 

イスラエル航空宇宙産業の軟着陸機ベレシートは2019年にこの操作を行ったが、月面に墜落した。

2011年、NASAのGRAIL衛星は、太陽地球L1点を通過し、3ヶ月以上かけて月まで低デルタvルートを使用しました。[14] : 278 

参照

参考文献

  1. ^ 「ひてん」NASA
  2. ^ "Apollo 11 Lunar Landing Mission: Press Kit (Release No: 69–83K)". National Aeronautic and Space Administration. 6 July 1969. p. 33.
  3. ^ Schwaninger, Arthur J. (1963). Trajectories in the Earth-Moon Space with Symmetrical Free Return Properties (PDF). Technical Note D-1833. Huntsville, Alabama: NASA / Marshall Space Flight Center.
  4. ^ Mansfield, Cheryl L. (May 18, 2017). "Apollo 10". NASA.
  5. ^ "APOLLO 12". history.nasa.gov.
  6. ^ Ways to the Moon (PDF) (Report). p. 93.
  7. ^ "Launch Windows Essay". history.nasa.gov.
  8. ^ Henri Poincaré, Les Méthodes Nouvelles de Mécanique Céleste, Paris, Gauthier-Villars et fils, 1892-99.
  9. ^ Victor Szebehely, Theory of Orbits, The Restricted Problem of Three Bodies, Yale University, Academic Press, 1967.
  10. ^ "Luna 01". NASA. Archived from the original on 2020-09-05. Retrieved 2019-06-10.
  11. ^ "NASA - NSSDCA - Spacecraft - Details". nssdc.gsfc.nasa.gov.
  12. ^ 「ソ連の月探査ミッション」nssdc.gsfc.nasa.gov .
  13. ^ 「レンジャー4」. NASA。 2017 年 12 月 21 日。
  14. ^ abcdefgh 「地球 を超えて」（PDF）。NASA 。
  15. ^ 「数字で見るアポロ」NASA . 2004年11月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  16. ^ 「インディペンデント・スター・ニュース、1968年12月22日日曜日」。1968年12月22日。「TLIの噴射は、宇宙船がハワイ上空を飛行中に太平洋標準時に開始され、地上から燃焼が見えたと報告された。」
  17. ^ ab フレンチ、フランシス、コリン・バージェス (2007). 『月の影の中で』ネブラスカ大学出版局. p. 372. ISBN 978-0-8032-1128-5。
  18. ^ abc Alexander M. Jablonski; Kelly A. Ogden (2008年4月). 「月面構造物の技術要件」. Journal of Aerospace Engineering

パブリックドメインこの記事には、アメリカ航空宇宙局 のウェブサイトまたは文書からのパブリック ドメイン マテリアルが組み込まれています。

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