3分で簡単人工衛星の仕組み！理系学生ライターがわかりやすく解説！

ライター／通りすがりのペンギン船長

現役理系大学生。環境工学、エネルギー工学を専攻しており、物理学も幅広く勉強している。塾講師として物理を高校生に教えていた経験から、物理の学習において、つまずきやすい点や勘違いしやすい点も熟知している。

人工衛星とは？

人工衛星は、地球の周りの宇宙空間をまわっている人工天体のことを指しますよ。多くの人工衛星には、様々なセンサー類が搭載されており、地球の地表面の様子などのデータを取得しています。センサーには、地球の表面で太陽光が反射する様子を光学的に観測して画像データ(写真)を得るもの、電波などを利用して地球上に存在する特定の対象物の状態を観測するものなどがありますよ。このように、センサーを利用して情報を取得する技術をリモートセンシングといいます。

人工衛星の具体的な使用目的には、軍事、通信、放送、気象、地球観測などがありますよ。実際、BS放送やGPSといった身近な技術も人工衛星によるものなのです。近年では、寿命を迎えた人工衛星や使用済みのロケットの残骸などの宇宙ゴミを回収する人工衛星も研究開発されているようですよ。このようなことから、人工衛星は私たちの生活をより豊かにしてくれる重要な技術であることがわかりますよね。

人工衛星に関する理論

ここでは簡単な力学の計算を使って、人工衛星の打ち上げ、高度、周期、軌道などの説明を進めていきますね。計算には力のつり合い、万有引力、等速円運動などの知識を使います。

打ち上げ方法

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私たちが、ボールを空に向かって投げたとき、ボールは必ず地面に落ちてしまいます。これは、ボールに重力がはたらいているからです。では、人工衛星は打ち上げ後、どのようになるでしょうか？人工衛星は打ち上げた後も、地面に落下することはなく、地球の周りをグルグルとまわりり続けます。このためには、人工衛星が地面に戻ってこないくらい、非常に速く打ち上げる必要があるのです。この速度を第一宇宙速度といいます。

この第一宇宙速度vを、計算によって求めてみましょう。地球の質量をM、人工衛星の質量をm、地球と人工衛星の中心間距離をR、万有引力定数をGとします。人工衛星の軌道がきれいな円になるとき、人工衛星の遠心力はMv²/Rと表せますよね。また、地球と人工衛星の間にはたらく万有引力の大きさはGMm/R²です。これらの力はつりあうので、Mv²/R＝GMm/R²⇔v=√(GM/R)となりますね。

これに実際の値を代入すると、第一宇宙速度vは7.91[km/s]となります！人工衛星を打ち上げるには、最低限でも、この程度の速度が必要なのです。実際は様々な抵抗力や損失が存在するので、これよりもさらに速く打ち上げる必要がありますよ。とてつもなく速いので、驚いてしまいますね。

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高度と周期

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次に、人工衛星の高度と周期の関係性について考えてみましょう。厳密には、打ち上げ速度が第一宇宙速度を超えると、人工衛星の軌道は楕円になりますが、ここでは近似的に円軌道としています。先ほどの第一宇宙速度の計算より、地球と人工衛星の中心間距離がRのときの人工衛星の速度は、v=√(GM/R)だとわかりますよね。衛星の軌道は半径Rの円となるので、衛星の周期TはT=2πR/v=2πR√(R/GM)となります。

このことから、地球と人工衛星の中心間距離Rの値が大きくなるほど、周期Tの値は大きくなることがわかりますね。つまり、人工衛星の高度が高くなるほど、人工衛星が地球周りを1周するのにかかる時間が長くなるのです。人工衛星の周期の違いによって、データの取得できる範囲やデータを取得する速さが決まります。人工衛星の周期も、設計の段階から重要なパラメータになるのです。

軌道

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ここでは、人工衛星の軌道について解説します。人工衛星の代表的な軌道の1つが赤道軌道です。赤道軌道をとる人工衛星は、赤道の真上をグルグルとまわっています。ほとんどの静止衛星が赤道軌道をとることが知られていますよ。静止衛星については、後で詳しく説明しますね。もう1つ有名な軌道が極軌道です。極軌道衛星は、南極と北極の真上を交互に通過するような軌道を描きますよ。

以上で紹介した衛星の軌道はいずれも特殊なものになります。では、一般的な軌道はどのように表現するのでしょうか？その表現方法の1つに、軌道傾斜角がありますよ。軌道傾斜角は、軌道と赤道がなす角のことを指すのです。例えば、赤道軌道の軌道傾斜角は0°、極軌道の軌道傾斜角は90°ですね。

人工衛星の種類

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最後に、人工衛星の種類を説明していきます。まずは、静止衛星です。静止衛星は地球から見た相対位置が常に一定になります。言い換えれば、地球上のある地点から静止衛星を見上げたとき、静止衛星が永久に同じ場所に存在しているように見えるということですよね。静止衛星の高度は約35786[km]で、軌道は赤道軌道となります。高度が約35786[km]のとき、人工衛星はちょうど1日で地球の周りを一周しますよ。気象衛星、放送用衛星、通信衛星は静止衛星です。

続いて、高度が約35786[km]以下の極軌道衛星について考えましょう。この衛星は、周期が1日よりも短く、軌道が赤道に対して垂直なので、1度目の周回と2度目の周回で異なるルートを通ります。そのため、高度が約35786[km]以下の極軌道衛星は、地球全体の様子を観測することができますよ。このような理由から、軍事衛星、偵察衛星、地球観測衛星などはこのタイプの衛星になっているのです。

日常生活に欠かせない存在の人工衛星

人工衛星が地球の周りをグルグルと回っていることを気にしたり、実感したりするという機会はほとんどありません。ですが、私たちの日常生活の中にも人工衛星のおかげで利用できるサービスが沢山あります。BS放送やCS放送、GPSなどによる位置情報サービス、衛星電話などのサービスはすべて人工衛星を活用していますよね。

このように人工衛星のおかげで、より多くの人が情報媒体にアクセスできるようになり、生活が豊かになりました。ぜひこの機会に、人工衛星に関する知識を深めてみてください。