重力ターン方式

重力ターン：宇宙機の効率的な軌道制御

重力ターン（gravity turn）とは、宇宙機を天体の周回軌道に投入したり、軌道から着陸させる際に用いられる軌道制御技術です。ロケットや宇宙船が自身の推力だけでなく、天体の重力を利用して効率的に軌道を変える方法です。主な利点は、軌道速度の増加に多くの推力を割けることと、機体への空力応力を最小限に抑えられることです。後者は機体の軽量化にもつながります。

打ち上げ手順

垂直上昇とピッチオーバー

重力ターンは、垂直に発射するロケットによく用いられます。ロケットはまず真上に上昇し、高度と垂直速度を上げます。この段階では重力がロケットの加速を妨げるため、できるだけ早くピッチオーバー（pitch-over maneuver）を行います。ピッチオーバーとは、ロケットエンジンの推力をわずかにずらして機体の向きを変える操作で、これにより飛行経路を垂直から水平へと移行させます。ピッチオーバー角度はロケットによって異なり、精密な制御が必要です。

ダウンレンジ加速

ピッチオーバー後、ロケットは重力の影響で飛行経路が自然と曲がり始めます。ロケットは継続的に推力を発生させることで、十分な高度と速度を得て安定した軌道に投入されます。多段ロケットの場合、各段のエンジン点火には時間的な余裕が必要であり、その間にロケットは慣性飛行を行います。この慣性飛行は、特に推力の大きなロケットで有効で、大気圏からの早期脱出に役立ちます。大気圏外では、迎え角をゼロに保ちながら水平方向に加速し、軌道に投入されます。

降下および着陸手順

軌道離脱と突入

大気のない天体への着陸では、宇宙機はまず逆噴射を行い軌道速度を落とし、近点を地表近くまで下げます。大気のある惑星では、大気圏上層に近点を下げます。その後、慣性飛行するか、エンジン噴射を続けながら着陸地点へと近づきます。大気圏突入は通常無動力で行われ、大気を使って減速することで燃料を節約できます。大気がない場合は、着陸に必要な減速を全て推力でまかなう必要があります。

着陸

着陸では、エンジンを地表速度ベクトルの真逆に向け、減速を行います。天体の重力により軌道は垂直降下に近づくように制御されます。理想的には水平速度、垂直速度、高度が同時にゼロとなり軟着陸しますが、実際には地形の影響などを考慮し、着陸直前に機体をわずかに傾ける場合もあります。

誘導と制御

重力ターン軌道は、上昇初期段階で最も一般的に用いられます。誘導システムは、事前計算されたピッチ角と時刻の対応表を用いる場合や、加速度計とジャイロスコープを用いた適応的慣性誘導システムを用いる場合などがあります。制御は、エンジンのジンバル角や動翼で行われます。

大気圏内では迎え角をゼロに保つため、軌道修正は行われません。大気圏外では、閉ループ誘導プログラムに切り替えて軌道偏差を修正します。着陸時にも、同様の誘導制御が必要となります。司令船との相対位置などを利用した誘導方法も存在します。

制限

重力ターンは操舵に必要な推力が少ないという利点がありますが、必ずしも最も効率的な軌道とは限りません。大気抵抗、最大動圧、最大推力、最大許容ペイロード加速度などが、重力ターンの効率や実現可能性に影響を与えます。これらの要因は、垂直上昇と水平加速のバランスを決定し、ロケットの設計や運用に制約をもたらします。

軌道変更における利用

重力ターンは、宇宙船の軌道変更にも利用できます。近くの天体の重力を利用して飛行方向を変えることで、大きな燃料消費を伴う推進システムによる軌道変更を回避できます。これはスイングバイと似ていますが、重力ターンは主に方向変更を目的とする点が異なります。自由帰還軌道も、重力ターンの一種と言えるでしょう。

宇宙飛行での使用例

重力ターンは多くの宇宙飛行ミッションで用いられてきました。アポロ計画のサターンVロケット、日本の初の人工衛星「おおすみ」などを搭載したL-4Sロケットなどがその例です。「おおすみ」の打ち上げに使われた無誘導重力ターン方式は、誘導装置を使わず重力に任せる簡素な方法でしたが、軌道精度に課題がありました。

数学的説明

重力ターン軌道は、空気抵抗を無視した単純なモデルでは、運動方程式を用いて記述できます。しかし、現実的な条件を考慮すると、数値積分を用いた計算が必要になります。

無誘導重力ターン

L-4Sロケットによる「おおすみ」の打ち上げでは、誘導装置の開発遅延により無誘導重力ターン方式が採用されました。この方式は、誘導装置が不要な利点がある一方、軌道精度に影響が出やすいという欠点がありました。後のロケットでは、より精度の高い誘導システムが搭載されるようになりました。

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