走行中の車の窓から手を出すと、抗力と呼ばれる力を感じます。この力は走行中の車に抵抗するものであり、アクセルペダルから足を離すと車が自然に減速して停止する理由の一つです。しかし、抗力は単に車を減速させるだけではありません。
航空宇宙技術者は、宇宙での抗力を利用して、より燃料効率の高い宇宙船やミッションを開発したり、宇宙ゴミをあまり出さずに宇宙船を軌道から外したり、さらには他の惑星の軌道に探査機を配置したりすることに取り組んでいます。
宇宙は完全な真空ではありません。少なくとも、すべてが真空ではありません。地球の大気は高度とともに薄くなりますが、高度約620マイル（1,000キロメートル）まででも、周回軌道上の宇宙船に抗力を与えるのに十分な空気が存在します。
航空宇宙工学の教授として、私は抗力が軌道上の宇宙船の運動にどのような影響を与えるかを研究しています。エアロブレーキングとは、その名の通り、宇宙空間の薄い空気を利用して、宇宙船の運動とは反対方向に抗力をかける操縦の一種で、車のブレーキに似ています。
軌道の変更
宇宙では、エアロブレーキングによって推進システムと燃料の使用を最小限に抑えながら、宇宙船の軌道を変えることができます。地球を周回する宇宙船は、円軌道と楕円軌道の2種類の軌道を周回します。円軌道では、宇宙船は常に地球の中心から一定の距離を保ちます。そのため、常に同じ速度で移動します。楕円軌道では、地球からの距離と宇宙船の速度は、宇宙船が軌道に沿って移動するにつれて変化します。
地球を周回する楕円軌道において、衛星や宇宙船が最も速く移動する最も近い点は近地点と呼ばれます。最も遅く移動する最も遠い点は遠地点と呼ばれます。
エアロブレーキングの基本的な考え方は、まず大きな円軌道から宇宙船を高度の楕円軌道へと誘導し、軌道の最低点（近点）が上層大気の密度の高い部分にくるようにすることです。地球の場合、これは約100～500キロメートル（62～310マイル）の範囲で、軌道変更に必要な時間に応じて選択されます。
宇宙船がこの最低点を通過すると、空気抵抗が宇宙船に作用し、時間の経過とともに軌道の伸びが減少する。この力は宇宙船を元の軌道よりも小さな円軌道へと引き寄せる。
/Wikimedia Commons, CC BY-SA
抗力が作用するように宇宙船を楕円軌道に乗せるための最初の操作には、推進システムと燃料の使用が必要です。しかし、楕円軌道に入ると、大気圏からの抗力によって宇宙船は減速するため、燃料はほとんど、あるいは全く必要ありません。
エアロブレーキは宇宙船を大きな軌道から小さな軌道へと移動させるもので、可逆的ではありません。つまり、軌道の大きさを拡大することはできません。軌道の大きさを拡大したり、宇宙船をより高い軌道に上昇させるには、推進力と燃料が必要です。
エアロブレーキの用途
宇宙船管制官がエアロブレーキを使用する一般的なケースは、宇宙船の軌道を静止軌道（GEO）から低軌道（LEO）に変更する場合です。GEO軌道は、高度約35,786 km（22,236マイル）の円軌道です。GEOでは、宇宙船は24時間で地球を1周するため、常に地球表面の同じ地点の上空に留まります。
エアロブレーキングの前に、宇宙船に搭載された推進システムは静止軌道の運動とは反対方向に推力をかけます。この推力により、宇宙船は楕円軌道に入ります。宇宙船は大気圏を複数回通過し、最終的に軌道は円軌道に戻ります。
LEOに到達した後、宇宙船は目標軌道まで上昇するために少量の燃料を必要とする場合があります。通常、最初の楕円軌道の最低点は、最終的な目標円軌道よりも低くなります。
このプロセスは、2025年初頭に米宇宙軍のX-37Bがエアロブレーキングを使用した方法と概念的に類似しています。米宇宙軍は、無人スペースプレーンX-37Bがエアロブレーキングを使用したと報告しました。このテストでは、機体の機敏性と操縦性が実証されました。
エアロブレーキのもう一つの用途は、宇宙船が活動を停止した後に軌道から離脱、つまり大気圏に再突入することです。これにより、企業や機関は宇宙船を処分することができ、下層大気圏で燃え尽きるため、宇宙ゴミの発生を防ぐことができます。
惑星間ミッションのためのエアロブレーキ
火星探査機「マーズ・リコネサンス・オービター」や「マーズ・オデッセイ・オービター」を含むいくつかの火星探査ミッションでは、赤い惑星の周りの目標軌道に到達するためにエアロブレーキングが使用されました。
このような惑星間ミッションでは、科学者たちは宇宙船に搭載された推進システムとエアロブレーキングを併用します。宇宙船が火星に到着する際、それは双曲線軌道を描きます。
/Wikimedia Commons
円軌道や楕円軌道とは異なり、双曲軌道を周回する探査機の軌道は火星の周りを周回し続けることはできません。推進システムの推力を利用して閉じた楕円軌道に「捕捉」されない限り、探査機は火星を通過して離脱することになります。
宇宙船が火星に到着すると、搭載されている推進システムが点火し、宇宙船を火星の周回軌道に捕らえるために必要な力を発生させます。捕らえられた後、科学者たちは大気圏を数回周回するエアロブレーキングを行い、最終軌道（通常は円軌道）に到達します。
エアロブレーキング操作は大幅な燃料節約をもたらす可能性があります。人類が火星の地表への着陸に近づくにつれ、エアロブレーキングによる燃料節約によって質量が軽減され、火星に向かう各宇宙船はより多くの物資を搭載できるようになるでしょう。
宇宙探査の壮大なスケールにおいて、エアロブレーキングは単なる機動操作ではありません。将来の宇宙活動、惑星探査、そして植民地化において、エアロブレーキングは極めて重要な役割を果たすでしょう。
ピユーシュ・メータ、ウェストバージニア大学宇宙システム准教授。この記事はクリエイティブ・コモンズのライセンスに基づきThe Conversationから転載されました。原文はこちら。
