惑星フライバイはどのように機能しますか?

重力アシスト、つまりフライバイはなかなかすばらしいものです。これは、惑星の重力を利用して宇宙船を加速し、目的地に導く精密な操作です。これは、惑星が通り過ぎる宇宙船をつかんで投げ飛ばすような、パチンコ操作としてよく説明されます。しかし、実際には、フライバイは、天井扇風機の羽根にピンポン玉を投げるようなものです。羽根がボールに当たり、ボールはより速く、別の方向に飛ばされます。では、ピンポン玉を天井扇風機に投げ、ボールが隣の壁のマーカーに当たるところを想像してみてください。それが惑星フライバイです。

惑星の重力は宇宙船の重力よりもはるかに強いため、宇宙船が惑星を通過すると、惑星は宇宙船に対して、宇宙船が惑星に及ぼす重力よりもはるかに強い引力をかけます。惑星は重力で宇宙船を引き寄せて投げ飛ばし、その過程で通過する宇宙船にいくらかの運動量を移します。同時に、宇宙船は実際には惑星から自身の運動量を少し奪います。しかし、それだけではありません。惑星は静止しているわけではなく、太陽の周りを公転し、自身の軸を中心に回転します。そのため、宇宙船が惑星を通過すると、惑星の回転によって宇宙船の軌道が曲げられます。

フライバイは基本的に、宇宙船の太陽軌道のエネルギーを、打ち上げロケットが提供できる速度以上に増加させるために使用されます。両方のケースで土星をターゲット惑星としたボイジャーミッションは、完璧な例です。これらの双子の宇宙船を打ち上げたタイタンIII/セントーロケットは、木星に到達するのに十分なエネルギーしかありませんでした。そこに惑星がなかったら、両方の宇宙船は永久的な楕円形の太陽軌道に入り、地球の軌道と同じくらい太陽に近づき、木星の軌道まで到達したでしょう。しかし、巨大惑星がそこにあり、宇宙船はその軌道を横切りました。宇宙船は惑星の重力に引き寄せられました。木星にとどまるのに十分なほど減速することなく、宇宙船は代わりにガス巨星から勢いを得て、土星への旅を開始しました。ボイジャー宇宙船は、フライバイがわずかに異なっていたため、環のある惑星に到達した後に分岐しました。ボイジャー1号は、軌道が黄道面から飛び出すようにこの系を通過しましたが、ボイジャー2号は、軌道が天王星の方向に曲がるようにこの系を通過しました。

逆もまた同様だ。適切に狙いを定めたフライバイは宇宙船を減速させ、他の天体の重力に捕らえられるほどの速度にまで減速させることができる。NASA のガリレオ宇宙船は木星の衛星イオの近くを飛行して速度を落としたが、これはつまり、木星周回軌道に乗せるための逆噴射燃焼のために搭載する燃料を若干減らさなければならなかったことを意味する。

重力アシストは、深宇宙ロボットミッションでは非常に有用であり、1960 年代には NASA が (残念ながら概念ミッションとしてのみ) 宇宙飛行士を 1 回の飛行で金星と火星の両方に送る手段として検討していました。それは長いものでしたが、非常に興味深いミッションだったでしょう。

出典: NASA