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物理と化学

人工衛星の速度や軌道を高校物理で解説! 増加する宇宙ゴミも深刻?

投稿日:2016年9月3日 更新日:

我々が住んでる地球、そのはるか上空、200km先には、現在数にして約5000基以上の人工衛星が地球の周りを飛んでいるとも言われています。

しかもその速度は秒速3km、時速に換算すると約1万kmにも相当します、新幹線の約30倍です。

 
人工衛星がなぜこれほど速く動くのか、またどういった原理で地球の周りを動くのかを考察していきます。




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1.アイデアの元祖はニュートン

ボールを投げると、地球との引力でやがて地面に落下します。この法則を万有引力の法則と言いますが、これを発見したのがニュートンです。

しかしボールを投げるスピードを速くすれば、ボールが落下する地点はより遠くになります。

 
もし山などの障害物がなく、地球がまっ平らなら、ボールをより速く投げると地面に落下する前に地球を1周できないだろうか、という考えが応用として生まれたのです。

 
地球の半径は約6000km、もし空気抵抗なしで考えたら、ボールが地面に落ちないで地球を一周させるために、必要な速度は、秒速約8kmになります。

しかし実際に地表付近でこのスピードを保ったまま移動すると、空気の密度が高いので、空気との摩擦で熱が生じてしまい、非常に高温になりたちどころに燃えたりします。

 
ニュートンの時代ではここで話が終わってしまいますが、それから時代も変わり、航空技術やロケット技術が目覚ましく発展した現在なら、空気抵抗がほとんどなくなる上空200km以上に人工物体を打ち上げることが可能になりました。

 
人類初の人工衛星となったのが、1957年に旧ソ連が打ち上げたスプートニク1号です。下が画像ですが、今の衛星と見るとまるでデザインが違いますね。

万有引力

 

2.人工衛星の速度は高校物理で

さて人口衛星の軌道というのは、いわば円運動になります。高校の物理の話になってしまいますが、万有引力の法則を使って解説できます。

blogshow96a

地球と人工衛星の間に働く万有引力を向心力として、地球の周りを回っています。この万有引力Fが遠心力F’と等しくなるために、地球に落下することなく回り続けられるのです。

またこの時の速度は、運動方程式の式で計算されると、実は、地球の質量と半径と地表からの高さだけで決まる数値になります。

この辺の難しい数式での説明は、高校の物理の教科書、参考書に載ってるので勉強がてらそちらをぜひ参考にしてください!

 

3.静止衛星とスペースデブリについて

私たちの生活の上で欠かせない、もっとも恩恵を受けているのが気象衛星や通信衛星に多い、静止衛星でしょう。

静止衛星とは、文字どおり地上から空を見上げると、空の1点に静止しているように見える衛星のことを言います。

 
しかし静止しているように見えて、実はもの凄いスピードで地球を1周しているのです。赤道付近の上空3万5800㎞に位置していて、東向きに移動し、1日でちょうど1周するように動いています。

この時の速度は実は秒速3km、新幹線でも秒速80mくらいなので、もはや異次元の速さですね。

 
ところがそんな静止衛星にも寿命と言うのがあります。いくら上空の空気抵抗がほぼない場所とは言え、空気が全くないわけではなく、長い間動き続けると、徐々に軌道が狂ってきます。

このため、静止衛星にはこの軌道が狂ってきたときのために、軌道修正として利用される燃料が積まれています。この燃料が尽きた時に静止衛星は寿命を迎えるのです。

 
ここで寿命が尽きた静止衛星は、その後さらに上空にある墓場軌道に移動させることが国際条約により定められています。なぜこのようなことが定められているかと言うと、最近問題視されているスペースデブリ(宇宙ゴミ)を防ぐためにあります。

スペースデブリ

役割を終えた衛星が、その後意図しない軌道で、別の使用中の衛星と衝突し、さらに別のスペースデブリを発生させることがあります。そうした事態を防ぐためにも、この墓場軌道に乗せる必要があるのですが、実際にこの墓場軌道への移動に成功できるのは全体の3分の1程度と言われており、今後増え続けるであろうスペースデブリの根本の解決策として、見直す必要があると思われます。

 

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