弾道捕捉

弾道捕捉とは

弾道捕捉（だんどうほそく）、または弾道捕獲（Ballistic capture）とは、宇宙機を遠い惑星や月の周回軌道に投入する際に、推進剤の使用を最低限に抑えながら行う低エネルギー遷移の技術です。この手法では、宇宙機が打ち上げ後に弾道を描く理想的な遷移を実現し、デルタV（速度変化）を用いないため、推進剤の消費を大幅に抑えることができます。

従来の方法では、ホーマン遷移軌道やオーベルト効果を用いて目標天体の近くで減速する必要があり、その際に宇宙機の推進剤を噴射することが求められます。これにより、推進剤の搭載、維持、さらには噴射のためのコストや複雑さが増すのが常ですが、弾道捕捉を採用することによって、これらの負担を軽減することができます。

弾道捕捉の仕組み

弾道捕捉では、宇宙機を目標天体の軌道へ向かわせるため、低推力のイオンエンジンによる小さな軌道修正を行うことで、宇宙機を所定の軌道に投入します。この方法での軌道設計に関する研究は1987年に初めて発表され、その際に導入された数学的理論は「弱安定境界理論」と呼ばれています。

日本の宇宙機「ひてん」が、1991年に月周回軌道へ到達した際に、弾道捕捉が初めて実用化されました。この際、エドワード・ベルブルーノとJ. Millerによって設計された軌道遷移は、月よりも遠くに行くことから「exterior ballistic capture transfer」と名付けられました。一方、月近くに留まるものは「interior ballistic capture transfer」と呼ばれ、1987年に理論が構築された後、2004年にESAのSMART-1によって初めて実施されました。

弾道捕捉の利点

弾道捕捉にはいくつかの利点が予想されます。まず、従来のように時間に制約がある軌道投入の推進剤噴射が必要ないため、安全性が高まります。また、打ち上げのタイミングに縛られることなく、ほとんどいつでも宇宙機を打ち上げることが可能です。さらに、推進剤の効率が良い場合が多く、ミッションのコストダウンに寄与します。

低エネルギー遷移について

弾道捕捉は、デルタVを必要としないため、一般的に低エネルギーであることから「低エネルギー遷移（LET）」とも呼ばれますが、低エネルギー遷移は必ずしも弾道捕捉を意味するものではありません。より正確には「弾道捕捉遷移（BCT）」という用語が使用されます。また、弾道捕捉が可能な特定の領域は「弱安定境界（WSB）」と呼ばれ、時には「弱安定境界遷移」という用語も使用されます。

2014年には、火星ミッションに向けた代替案として弾道捕捉が提案されました。従来の手法では約26ヶ月に1回の打ち上げウィンドウを待つ必要があり、リスクのあるブレーキングを行う必要がありますが、弾道捕捉ではその両方を回避することができます。ただし、航行に要する期間は約1年で、ホーマン遷移による9ヶ月よりも長くなってしまいます。

弾道捕捉を使用したミッション

弾道捕捉を採用したミッションは多数存在します。その中で何が「外部弾道捕捉遷移（EBCT）」、何が「内部弾道捕捉遷移（IBCT）」かが分類されます。これにより、軌道設計や運用方法における適切な判断が行えるようになります。

関連項目

* 月遷移軌道

参考文献

• - Lunar Transfer Orbits Utilizing Solar Perturbations and Ballistic Capture; Wolfgang Seefelder; 2002.
• - Low Energy Transfer To The Moon
• - Ballistic Lunar Transfer (BLT) Cheat Sheet
• - Designing Low Energy Capture Transfers for Spacecraft to the Moon and Mars (Special Seminar in Symplectic Geometry). Institute for Advanced Study, Princeton. Tuesday October, 28 2014

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