宇宙の世界へようこそ⑤「軌道の要素」

空気抵抗を無視できる真空の世界では、物体は慣性の法則と重力に従い放物線運動を行う。つまり発射の勢い(初速)が大きければ大きいほど高く飛び、長く飛び、遠くに落下する。発射角度を斜め上にすればいわゆる弾道飛行となる。

また、天体は球体なため地面は曲面である。初速を大きくするほど落下地点は遠くになり、一定上の初速では発射地点が落下地点になる。つまり天体を一周する。

さらに発射地点を地面から10m高い場所にする。初速が十分なら発射地点と落下地点が一致するため、地面から10m高い場所に落下(到着)する。そして空気抵抗がないため減速せず、地面から10mの高さを永遠に飛び続ける。これがいわゆる周回軌道に乗ったということになる。つまり軌道に乗るということは常に高速で飛行し続けることであり、この「軌道速度」が空気抵抗などで減っていくと高度が下がり続けてそのうち地面に激突する。

円形の周回軌道のことを円軌道と呼び、楕円形の周回軌道は楕円軌道と呼ぶ。しかし弾道飛行の延長線上に周回軌道があるため、円軌道も厳密には真円に近い楕円形である。円軌道の場合、太陽や地球など重力の巨大な天体が円の中心に来る。楕円軌道の場合、巨大な重力の天体は楕円の尖っているどちらか一方に偏っている。この楕円の尖っているふたつのうち、天体(地面)に近い方を「近地点(ペリジ)」と呼び、遠い方を「遠地点(アポジ)」と呼ぶ。

周回軌道は円や楕円といった平面形状をしているため、周回軌道の乗っている面を「軌道面」と呼ぶ。周回軌道の中心にいる天体は自転していることが多いため赤道が存在する。この赤道という円、つまり赤道を輪切りにする平面のことを「赤道面」と呼び、中心の天体が太陽の場合は「黄道面」という面を使う。これら赤道面や黄道面に対して、軌道面の交差する角度のことを「軌道傾斜角」と呼ぶ。

物体(衛星など)は周回軌道上を飛んでいるが、飛ぶ方向が中心の天体の自転と同じ方向(地球では北極から見て半時計回の方向)だった場合は「巡行している」と呼び、自転と逆方向だと「逆行している」と呼ぶ。また、自分と同じ軌道にいる物体が自分に向かってくる方向で飛んでいる場合も「逆行している」と呼ぶ。

物体が周回軌道上を飛ぶ速度は一定ではなく、中心の天体から働く重力が強いほど速度は速くする必要がある。そして距離が離れるほど重力は弱くなるため、天体に近い「低軌道」ほど軌道速度は速くなり、逆に天体から遠い「高軌道」ほど軌道速度は遅くなる。

このほか「昇交点」「軌道離心率」「近地点引数」などの要素もあるが省略する。

参考資料
・宇宙ぐらしのススメ(野田 篤司)　ISBN:978-4-05-404142-4　https://hon.gakken.jp/book/1340414200
・惑星探査機の軌道計算入門(半揚 稔雄)　ISBN:978-4-535-78845-9　https://www.nippyo.co.jp/shop/book/7557.html
・JAXAよくあるご質問「人工衛星やスペースシャトルは、なぜ、地球に落ちてこないのだろうか？」　https://humans-in-space.jaxa.jp/faq/detail/000683.html
・軌道 (力学)(wiki)　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%BB%8C%E9%81%93_(%E5%8A%9B%E5%AD%A6)
・順行・逆行(wiki)　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%A0%86%E8%A1%8C%E3%83%BB%E9%80%86%E8%A1%8C
・軌道力学(wiki)　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%BB%8C%E9%81%93%E5%8A%9B%E5%AD%A6#%E6%A5%95%E5%86%86%E8%BB%8C%E9%81%93
・軌道傾斜角(wiki)　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%BB%8C%E9%81%93%E5%82%BE%E6%96%9C%E8%A7%92
・人工衛星の軌道要素(wiki)　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%BA%E5%B7%A5%E8%A1%9B%E6%98%9F%E3%81%AE%E8%BB%8C%E9%81%93%E8%A6%81%E7%B4%A0
・人工衛星の軌道(wiki)　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%BA%E5%B7%A5%E8%A1%9B%E6%98%9F%E3%81%AE%E8%BB%8C%E9%81%93
Pythonを使って人工衛星の軌道を表現する～軌道６要素、TLE～(宙畑)　https://sorabatake.jp/23655/
周回軌道到達(KSP攻略wiki)　https://wikiwiki.jp/ksp/%E5%91%A8%E5%9B%9E%E8%BB%8C%E9%81%93%E3%81%AB%E4%B9%97%E3%82%8B