月や火星にはどうやったら行けるの? ( その 1) 京都大学生存圏研究所 宇宙総合学研究ユニット 工学研究科 山川宏 http://www.rish.kyoto-u.ac.jp/~yamakawa 平成 21 年 3 月 21 日 NPO 科学カフェ京都京都大学楽友会館
宇宙望遠鏡の打ち上げ直前 宇宙望遠鏡衛星 ( 鹿児島 内之浦 )
地球周辺の宇宙環境
宇宙開発と宇宙環境 : スペースデブリ ( 宇宙ごみ ) これまで数千トンにも及ぶ人工衛星などの人工物体が宇宙に運ばれ 多くは大気圏に再突入して燃え尽きているが, 現在でも約 4,500ton が人工物体として軌道上に存在している http://sn-callisto.jsc.nasa.gov/photogallery/beehives.html
スペースデブリ ( 宇宙ごみ ) 1cm~10cm のデブリは 10 万個,1mm~1cm のものは 3,500 万個程度存在すると推定されている http://www.orbitaldebris.jsc.nasa.gov/photogallery/photogallery.html
太陽と地球の関係 : 地球磁気圏 太陽からは 太陽光太陽風が出ています 地球の環境に影響を与え オーロラを発生させます ビデオ (30 秒 ) Copyright Kyoto University, RISH
太陽系の惑星 月 水星 金星 地球 彗星 Ceres 930km 天王星 火星 海王星 小惑星 Eris, 2005 68AU, 2700km 冥王星 ( 1930 39AU, 2300km 準惑星 ) 木星 土星
太陽系の隅々に行くのはたいへん? 太陽系の目的地に到達するまでに必要な時間 月旅行の時間火星旅行の時間金星旅行の時間水星旅行の時間木星旅行の時間冥王星旅行の時間 最短で3 日 9ヶ月 6ヶ月 2.5~4 年 3~5 年 8~10 年
過去に何機ぐらい行ったことがあるのか? 水星 1 機 (Mariner 10) 金星 約 40 機 (Venera, Mariner, Kosmos, Pioneer-Venus, Magellan, Gallileo) 月 約 110 機 (Pioneer, Luna, Ranger, Surveyor, Apollo, Hiten, Clementine) 火星 約 30 機 (Mars, Mariner, Viking, Phobos, Pathfinder) 小惑星 2 機 (Gallileo, Near) 木星 6 機 (Pioneer 10, 11,Voyager 2,1,Ulysses,Gallileo) 土星 4 機 (Pioneer 11,Voyager 2,1, Cassini) 天王星 1 機 (Voyager 2) 海王星 1 機 (Voyager 2) 彗星 5 機 (ICE,Vega1,2,Sakigake, Suisei, Giotto) (2000 年時点 )
日本の月惑星探査の歴史 1985 さきがけ ( ハレー彗星 ) 現在 (2008) 1985 すいせい ( ハレー彗星 ) 1990 ひてん ( 月 ) 1992 GEOTAIL( 地球 月 ) 1998 のぞみ ( 火星 ) 残念 2003 はやぶさ ( 小惑星 ) 2007 かぐや ( 月 ) 2010 PLANET-C( 金星 ) 2013 BepiColombo( 水星 )
惑星探査のいろいろ フライバイ オービタ ペネトレータ ローバランダ サンプルリターン バイバイ 逆噴射ぐさ! ふんわり おみやげ JAXA 久保田孝氏
ケプラーの法則 ニュートンの法則
ケプラーの第 1 法則 : ケプラーの法則 人工衛星 ( 惑星 ) は地球 ( 太陽 ) を1つの円軌道焦点とする楕円軌道上を運動する ケプラーの第 2 法則 : 地球 地球と人工衛星を結ぶ半径ベクトルが描く面積速度は一定である ( 遠いところは遅く 近いところは速く動く ) ケプラーの第 3 法則 : 楕円軌道 地球 人工衛星の軌道周期は地球からの平均距離の 3/2 乗に比例する ( 一周する時間は最大距離で決まる )
ニュートンの万有引力の法則 2 つの質点には 互いに それぞれ の質量に比例し距離の 2 乗に反比例 する引力が働く
すべての人工衛星は 同じ原理で飛翔している JAXA
宇宙ミッションの設計のポイント 燃料をできるだけ少なくしたい できるだけ衛星を大きくしたい
地球のまわりを回る人工衛星の軌道
人工衛星はなぜ落ちないのか? 引力の法則 ( ニュートン ) 2 つの質点に質量に比例し距離の 2 乗に反比例する引力が働く 落下しないのではなくて 本当は 落下し続けている ボール 引力 地球 人工衛星 引力 地球 ボールを投げる速さを大きくしていく人工衛星も引力で落下し続けていて とだんだん遠くに届くようになるその結果 円軌道を描いている
静止軌道 赤道上空にあって 地球の自転周期と衛星の軌道周期が一致し 地球の観測者から衛星が静止しているように見える 静止衛星 ( 高度 36,000km) 地球 ( 半径 6378km)
火星探査計画の設計法
地球から火星までどうやって行く? 探査機の軌道 出発時の地球の位置と到着時の火星の位置が太陽に対して反対側にあるときに 最も少ない燃料で効率よく 火星に行ける ΔV2 ( 火星周回軌道に入るために減速 ) 火星到着 太陽 ΔV1 ( 地球脱出のために加速 ) 地球出発 地球の軌道 火星の軌道 ΔV1+ΔV2--> 最小化 Hiroshi Yamakawa
地球から火星までどうやって行く? そのような機会はほぼ 2 年に一度あり その機会のことを 打上げ窓 と呼ぶ 3.3% 4.5% 4.4% 2.9 % 5.0% 火星の打上げ窓 ( いつ火星に打上げるのが適当か ) ------------------------------------------------------- 地球脱出日火星到着日太陽周回数探査機重量 ( 注参照 ) ------------------------------------------------------- 96 年 9 月 99 年 3 月 0.5 1 96 年 11 月 97 年 9 月 0.5 1 98 年 9 月 01 年 3 月 1.5 1 98 年 12 月 99 年 10 月 0.5 1 01 年 4 月 01 年 10 月 0.5 12.6% 03 年 6 月 04 年 1 月 0.5 1 05 年 8 月 06 年 9 月 0.5 1
地球から火星までどうやって行く? 第 2 宇宙速度地球重力圏外へ ( 惑星探査機 ) 地球重力圏を脱出後の地球に対する速度 3km/s 地球重力圏外に脱出する時の高度 200km での速度 11.4km/s 地球 地球脱出のために必要な増速度量 3.6km/s 第 1 宇宙速度 7.8km/s 高度 200km 円軌道 地球の重力圏の半径 150~170 万 km 地球半径 6378km Copyright ESA Copyright Hiroshi Yamakawa
のぞみ火星探査機 Copyright JAXA Copyright JAXA
スイングバイ
この世界に入るきっかけ :Voyager 1,2 号 ~ 惑星スイングバイの連続 ~ http://www2.jpl.nasa.gov/basics/grav/primer.html http://voyager.jpl.nasa.gov/science/heliocentric.html
のぞみ 地球脱出時の工夫 火星探査機 のぞみ の場合 地球脱出の際に 月重力を積極的に利用して 脱出時に必要なエネルギー (ΔV) を軽減した JAXA 提供 地球脱出まで予定されていた軌道 地球脱出後の実際の軌道
秘境 惑星の探査 ~ 水星探査を例に ~
太陽からの距離地球 :1.0 火星 :1.5 金星 :0.7 水星 :0.3 木星 :5.0 水星に到達するのに多くの燃料が必要 高温 高放射線環境 水星探査の難しさ なぜ行くの? まだ何もわかっていない 水星にも磁場があるかも Copyright ESA
電気推進 : 多数回水星フライバイミッション 地球出発 金星 水星 水星 水星 水星 水星 水星 水星自転周期水星公転周期 59 日 88 日 Hiroshi Yamakawa, 1996
Y (AU) 化学推進エンジン地球出発 金星 金星 水星 水星 水星到着 地球 金星 1 D SM-1 12 /1 5/2 00 5 水星ランデブーミッション 飛行時間 :4 年 Earth-Mercury Ballistic Transfer Trajectory DSM: Deep Space Maneuver 電気推進エンジン地球出発 金星スイングバイ 水星到着 飛行時間 :2.5 年 水星 0.5 0 Ve nu s Sw ing by -1 10 /2 6/2 00 6 Ve nu s Sw ing by -2 6/8/2 00 7-0.5 D SM-4 3/21 /20 08 Merc ur y Arr iv a l 9/30 /20 09 Su n D SM-5 12 /7 /20 08 Merc ur y Sw ing by -2 10 /8 /20 08 Merc ur y Sw ing by -1 1/17 /20 08 D SM-3 11 /1 1/2 00 7-1 -1-0.5 0 0.5 1 X (AU) D SM-2 1/8/2 00 7 Ea rth D ep ar tur e 8/5/2 00 5 Copyright Hiroshi Yamakawa Copyright Hiroshi Yamakawa
日欧国際共同水星探査計画 BepiColombo 8h 水星到着までは電気推進 + 惑星スイングバイ 9h MPO [2.3h] 400km x 1500km 7h 6h 0h 水星 MMO [9.2h] 400km x 12,000km 5h 太陽 3h 4h MMO( 日本 ) 水星環境の観測 1h 2h MPO( 欧州 ) 水星表面の観測 MESSENGER [NASA] Launch: 2004 Observation: 2009 Copyright JAXA
MMO 探査機は温度対策が命 ほっておくと 400 度 C! MLI MLI Sun 搭載機器 430 度 C 水星 Thermal stand-of f Heat rejection 耐熱材料温度制御排熱 Copyright JAXA
MMO 探査機の構造 Tank Battery Upper deck Lower deck Upper prism Middle prism Lower prism Copyright JAXA
月探査機 かぐや (2007-2009)
かぐや の軌道計画 Copyright JAXA http://www.rbbtoday.com/news/20070913/ 44877.html?ref=kizasi
かぐや の月までの旅
日本初の月周回衛星となった 工学実験衛星 ひてん (1990~1993)
工学実験衛星 ひてん 惑星間航行技術の習得 (1990-1993) Copyright JAXA http://www.isas.ac.jp/e/enterp/missions/complate/hiten.shtml 月惑星重力の積極的利用による軌道制御
月の力を借りて地球磁気圏の探査を行っている GEOTAIL 衛星 (1992~ 現在 )
地球周辺の宇宙環境を探査する (GEOTAIL 衛星 ) 磁気圏 地球 太陽風 Copyright JAXA RISH, Kyoto University 地球周辺の磁気圏を観測したい 太陽と反対側の場所を観測したい 地球の近くも遠くも観測したい 燃料を節約したい
8 GEOTAIL(1993~ 現在 ) 月の力を借りて地球磁気圏を探査 遠地点の動き 5 2 1. 月近くを通過 ( スイングバイ ) 2. 軌道を拡大 ( 大楕円 ) 3. 月近くを通過軌道を縮小 ( 小楕円 ) 4. 月近くを通過 5. 軌道を拡大 ( 大楕円 ) 月スイングバイ 6 7 3 4 1 太陽方向 地球 人工衛星の軌道 地球 月の軌道 太陽方向の動き 地球の近くから 月の外側まで観測 太陽と反対側を観測 燃料を節約 GORD (GEOTAIL Orbit Document) 1993, K. Tanaka and H. Yamakawa