ヨーロッパのESAの発表によると、地球と木星の最も近い軌道上の距離は約6億キロメートルで、ESAの探査機「ジュース」は既に3億7千万キロメートルを旅行しています。しかし、これは全体の5%に過ぎません。なぜこれほど時間がかかるのでしょうか。

この問いの答えは、ESAのミッションコントロールの飛行力学の専門家がよく知る、燃料の使用量からロケットのパワー、宇宙船の質量、惑星の幾何学など、さまざまな要素によるところが大きいです。

宇宙での直線的な移動はエネルギーの大幅な無駄遣いで、地球から木星への最短ルートを飛ぶためには大型のロケットと多量の燃料が必要です。さらに問題なのは、木星の周囲に軌道を持つためには、さらに多くの燃料が必要になることです。

地球と木星は互いに対して常に動いており、最も遠いところでは太陽の反対側に位置し、9億6千8万キロメートルも離れています。地球と木星が太陽の同じ側にあるとき、つまり最も近いときでも、距離は約6億キロメートルです。

探査機が地球を出発するときに木星がどこにあるかではなく、探査機が到着するときに木星がどこにあるかを計算する必要があります。したがって、最もパワフルなランチャーを使用して、惑星が正しく整列した時点で最短の軌道上で打ち上げると、どのくらいの時間がかかるでしょうか?

初期の宇宙ミッション、例えばボイジャーやパイオニア探査機は、2年未満で木星に到達しました。また、木星への最速の到達は「ニューホライズンズ」ミッションで、2006年1月19日に打ち上げられ、2007年2月28日に最接近し、ちょうど1年以上で木星に到達しました。

しかし、巨大な木星の周囲に軌道を持つため、あるいはその衛星の周囲に軌道を持つためには、エネルギーを失う必要があります。この「減速」は、大きな軌道投入操作のために多くの燃料を必要とします。大量の燃料を打ち上げることを避けるためには、転送期間が2.5年かかる景色の良いルートを選ぶことになります。

ここで、宇宙船の質量がどこに行くにも時間がかかる要因となります。エンジニアは、燃料の量と宇宙船が任務を完了するために搭載する必要がある機器のバランスを取る必要があります。宇宙船の質量が大きいほど、必要な燃料が多くなり、重量が増え、打ち上げが難しくなります。

そして、ここでロケットの性能が問題になります。宇宙船は、地球の重力を逃れて外部太陽系に向かうために、十分な速度で打ち上げる必要があります。押し出す力が強ければ強いほど、旅が容易になります。

ジュースは、6,000kg以上の重量で、これまでに木星へ飛ばされた科学機器の最大の組み合わせを持つ、最も重い惑星間探査機の一つです。そのため、アリアン5の大型ロケットから得られる大きな推力でさえ、ジュースを数年で直接木星に送るには十分ではありません。

したがって、ジュースのようなミッションやヨーロッパクリッパー、過去のガリレオやジュノなどは、「重力アシスト」または「フライバイ」の操作を利用して、追加のスピードを得る必要があります。ロケットが強力であれば強力なほど、転送は短くなります。

宇宙船が他の惑星の周囲に軌道を持つためには、その惑星の軌道エネルギーに合わせる必要があります。例えば、ベピコロンボが打ち上げられたとき、その軌道エネルギーは地球と同じでした。それは太陽系の中心に近づくためにエネルギーを失い、隣接する惑星に近づくことで余分な軌道エネルギーを排出しました。

同様に、外部太陽系への旅においては、太陽から遠く、より大きな軌道に入るため、ジュースは地球、金星、火星から軌道エネルギーを奪う経路に乗っています。

ジュースは、2031年の木星系へのレンデズヴーに向けて、地球、地球-月系、金星の一連のフライバイを使用します。

ジュースが最終的に2031年に木星に到着し、木星の惑星系を巡る際に、ESAの飛行制御チームにとって最も困難な部分が訪れます。

ジュースの挑戦的な軌道は、木星への道のりに多くの重力アシストを含んでいます。また、木星に到着した後は、そのガリレオ衛星であるエウロパ、ガニメデ、カリストの各衛星を35回フライバイします。最終的な焦点はガニメデに当てられ、ジュースは我々の月以外の衛星を周回する最初の宇宙船となります。

ESAのミッションコントロールチームが監督する最も重要な操作は、ガニメデの重力アシストの13時間後にジュースの速度を約1 km/s減速させ、ジュピターシステムに入る「出口」を取り、宇宙船をガス巨人の周囲に軌道を持つことです。

他の天体の周囲に軌道を持つことは難しい。宇宙船は、完璧な速度で、正確な角度から接近し、特定の方向で、正確なサイズの重要な大きな操作を、ちょうど正しい瞬間に実行しなければなりません。

ジュースは、何十億年もの間保持してきたエネルギーを木星の衛星と交換し、これまでにない視点からこれらの環境を観察します。ガニメデ、カリスト、エウロパの凍った海の下に生命が存在する可能性はあるのでしょうか?我々は宇宙全体の惑星や月の形成について何を学べるのでしょうか?飛行力学の驚異を通じて、宇宙とエネルギーを交換することで、我々は近いうちに(多少時間はかかりますが)それを見つけ出すことができるでしょう。

Source: https://www.esa.int/Enabling_Support/Operations/Juice_why_s_it_taking_sooo_long