中高生向け発展編 / 手を動かす宇宙科学

軌道とスイングバイの計算室

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第12回の解説と例題へ

1.初速で、太陽を回る道はどう変わる?

太陽から1AUの場所で、上向きに速度を与えます。その後は噴射せず、太陽の重力だけを受けます。地球や火星の重力は計算しません。図の円は距離の目印です。

現在の形
到達点の太陽からの距離
楕円の場合の理論周期

青い線は指定日数の数値計算。点線の円は1AUと1.524AU。表示範囲は自動調整されるため、ケースを比較するときは図の縮尺表示も確認してください。天体・探査機の絵の大きさは縮尺に合わせていません。

式・計算条件・省いたもの

a = −μr / |r|³ / 円軌道の速さ = √(μ/r)
力学的エネルギー(質量1kgあたり)= v²/2 − μ/r

μ=1.32712440018×10²⁰m³/s²、1AU=149,597,870,700m。時間刻みは3,600秒、速度ベルレ法で計算します。エネルギーのずれは初期値との差の最大値をμ/1AUで割った値。脱出境界で初期エネルギーが0に近くなっても安定して比較するための尺度です。

太陽以外の重力、実際の惑星の楕円軌道・傾斜、噴射、大気、太陽光の力、衝突は含みません。火星への遷移ボタンは約259日の理想的な半楕円を示します。火星へ到着・着陸できたことを意味しません。

2.惑星から見た速さが同じでも、太陽からは?

惑星は右へ30km/s。探査機は惑星に対して10km/sです。進入時の方向は上向き(90度)に固定し、退出方向だけ変えます。角度0度は右、90度は上、180度は左です。

進入時の速さ(太陽基準)
退出時の速さ(太陽基準)
質量1kgあたりの運動エネルギー変化

これは速度のベクトル計算です。選んだ角度で曲がれるかは判定していません。実際の曲がり角は惑星の質量、接近速度、最接近距離などで制限されます。図の矢印は移動経路ではありません。

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