[論文レビュー] A High Earth, Lunar Resonant Orbit for Lower Cost Space Science Missions

Joseph W. Gangestad, Gregory A. Henning+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2013

Astro and Planetary Science参考文献 5被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、月の重力スイングバイを介して、安定した遮断のない宇宙科学ミッションへの低ΔVアクセスを可能にする、高地球軌道・2:1月共振軌道（P/2-HEO）を提案する。この軌道は、最小限の推進剤消費で長期間にわたり安定性と連続的な天の川カバレッジを提供し、TESSミッションを例に、直接注入と比較して最大333 m/sのΔV削減が確認された。

ABSTRACT

Many science missions require an unobstructed view of space and a stable thermal environment but lack the technical or programmatic resources to reach orbits that satisfy these needs. This paper presents a high Earth orbit in 2:1 resonance with the Moon that provides these conditions, reached via lunar gravity assist. Analytical guidance and numerical investigation yielded deep insight into this unconventional orbit's behavior, making it possible to select a robust mission design. Solutions are available for a broad range of missions, from smaller Explorer-class missions such as the Transiting Exoplanet Survey Satellite to larger missions that seek lower-Delta V alternatives to traditional Lagrange-point, drift-away, and geosynchronous orbits.

研究の動機と目的

• 遮断のない天の川カバレッジと熱的安定性を要する宇宙科学ミッションのための、従来の高地球軌道（例：L2、地球静止軌道、ドリフトアWAY）の代替として、低ΔVの代替軌道を同定すること。
• 解析的および数値的手法を用いて、2:1月共振高地球軌道（P/2-HEO）の実現可能性と安定性を分析すること。
• 日食時間、近点制限、通信要件といったミッション制約が、解析的に取り扱える狭いパラメータ空間内で満たせることを示すこと。
• エクスプローラークラスから大型望遠鏡に至るまで、さまざまな規模のミッションに適用可能な、公式的かつ再現可能なP/2-HEO軌道設計手法を提供すること。
• 長期間の安定性とミッション適合性を保証するために、複数の月サイクルにわたる高精度なSTKプロパゲーションと数値積分を用いて設計を検証すること。

提案手法

• 研究は、固定された月飛越時刻を前提に、初期近点高度と軌道傾きという2つの主要変数に限定されたP/2-HEOのトレードオフ空間を解析的ガイダンスで縮小する。
• 27日間のインターバルで、月の重力および太陽の摂動を含む高精度な数値的軌道プロパゲーションを、2017年6月の月サイクルを模擬してSystems Tool Kit（STK）を用いて実施した。
• 長期間の挙動を評価するため、パッチドでターゲットされた軌道解析を適用し、Kozaiサイクルと長期的摂動を分析した。TESS用の設計基準ミッション（DRM）を用いた。
• 軌道の変動を制限し、長期的安定性を確保するために、Kozai定数（K）を制約条件として用い、TESSに最適なK=0.65が特定された。
• 月飛越日と初期条件の感度分析を実施し、近点ばらつきと日食時間への影響を評価した。
• TESSと仮想の7,000 kgの望遠鏡の両方について、直接注入（Atlas V）と月スイングバイを介した注入との間でΔV予算を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 月と2:1共振する高地球軌道が、L2や地球静止軌道といった従来の軌道と比較して、著しく低いΔVで長期的安定性と遮断のない天の川カバレッジを実現できるか？
• RQ2 月および太陽の摂動がP/2-HEOの長期的挙動に与える影響は何か？また、軌道要素の境界付きでミッション適合の振動を保証する初期条件は何か？
• RQ3 高い精度を維持しつつ、P/2-HEOのパラメータ空間を探索する計算負荷をどの程度解析的モデリングで軽減できるか？
• RQ4 初期の月の軌道傾きとKozaiサイクル周期との関係は何か？また、これによりミッションライフと近点安定性にどのような影響があるか？
• RQ5 さまざまな月サイクルやミッション規模にわたり、ミッション制約を満たす、強固で再現可能なP/2-HEO軌道設計手法を確立できるか？

主な発見

• STKシミュレーションにおいて、TESS用のP/2-HEO設計は合計で125 m/sのΔVを達成したが、7,000 kgの望遠鏡をAtlas Vで直接注入するには333 m/sが必要であった。
• TESSのDRMでは、Kozaiサイクル周期が11年で、近点が8.4～21.2地球半径（RE）の間で変動し、日食時間は4.4時間で上限に抑えられた。
• 軌道の長期的安定性は、月から約90度の位相で遠点をずらすことで維持されており、これにより月の長期的摂動が時間平均でゼロになる。
• 解析的ガイダンスにより、P/2-HEOのトレードオフ空間は初期近点と傾きの2変数にまで縮小され、効率的で洞察に基づいたミッション設計が可能になった。
• 高精度なSTKプロパゲーションにより、月・太陽の摂動下でも25年間にわたり、P/2-HEOの軌道要素の変動が境界内に保たれていることが確認された。
• 本手法は一般化可能である。同様の解析的および数値的フレームワークを、安定で低ΔV、遮断のない軌道を要する他のミッションにも適用可能である。