太陽嵐と大気抵抗

オーロラを見ましたか？

もしあなたがどこかに住んでいるなら北緯45度以上、あるいはさらに南の緯度では、おそらく見たことがあるか、よく今年のオーロラ（オーロラ）について。これは太陽活動が非常に高い今年年は、発生するだけでなく発生するだけでなく、とても美しい写真ですが、甚大な影響人類の宇宙活動、特に衛星地球を周回する（私たちの Sternula-1衛星です。太陽活動（太陽嵐）は、 ハリケーンは海洋に影響を与えます。ハリケーンが船舶を停止させる波や乱気流を発生させるのと同様に、太陽嵐は地球の磁場を乱し、衛星の高度低下や故障の原因となる可能性があります。ハリケーン発生時、船舶は強風や荒波による被害を避けるため、停泊や進路変更を余儀なくされることがあります。同様に、太陽嵐の間、衛星は上層大気中の抗力増加に見舞われ、徐々に高度を失っていきます。これが深刻な場合、軌道の減衰につながり、再突入や損傷を防ぐための是正措置が必要になります。船舶と衛星はどちらも正確な航行に依存しており、地球上でも宇宙空間でも、嵐はそれらの進路や運用を混乱させる可能性があります。

コロナ質量放出（CME）

CME は、太陽コロナ上空から上昇する、あるいは宇宙空間に放出される太陽風と磁場の大規模な爆発です。太陽の外層大気から噴き出す巨大なプラズマの泡を想像してみてください。これらの荷電粒子の雲が地球の磁場と衝突すると、磁気嵐を引き起こす可能性があります。

太陽活動：11年周期

太陽は常に光を放っているわけではありません。太陽はダイナミックに進化を続ける恒星であり、約11年の周期で太陽周期と呼ばれる周期を刻んでいます。この周期の間に、太陽活動は活発な時期と停滞する時期を経験します。太陽活動は、太陽の「ホットスポット」と呼ばれる、活発な磁気活動領域である黒点の数の変化によって特徴づけられます。太陽が「太陽活動極大期」にあるとき、黒点数はピークに達し、太陽活動も活発になります。この時期は太陽フレアとコロナ質量放出（CME）の頻度が高まります。逆に、「太陽活動極小期」には太陽活動が衰え、黒点数も減少し、太陽現象も弱まります。 太陽フレアとは、太陽の磁場が突然変化する際に発生する爆発的な放射線バーストです。電波からX線に至るまで、電磁スペクトル全体にわたって膨大な量のエネルギーが放出されます。これらのフレアは通信障害を引き起こし、深刻な場合には衛星の電子機器や地球上の電力網に影響を及ぼす可能性があります。

ESAのゼロデブリアプローチ

欧州宇宙機関（ESA）のガイドラインに沿って、ゼロデブリアプローチを採用しています。この戦略では、衛星は運用寿命終了後5年以内に軌道から離脱することが義務付けられています。この予防措置は、運用を終了した衛星が長期的に宇宙デブリとなるのを防ぐために不可欠です。一部の衛星は大気抵抗により5年以内に自力で大気圏に再突入しますが、私たちは推進システムを活用して運用停止を制御します。この方法では、推進力の投入タイミングを決定することで、位置と時間に関してある程度の自由度が得られます。当社の推進システムは、衛星の円滑な廃止も促進します。

廃止と墓場軌道

制御された軌道離脱操作を実行することで、衛星を安全に地球の大気圏へ再突入させ、再突入時に燃え尽きさせることができます。一方、より高軌道にある衛星については、墓場軌道が活用されます。これらの軌道は、運用寿命を終えた運用停止衛星を移動させるための指定された領域であり、運用中の衛星との衝突リスクを低減します。運用寿命を終えた後にこのような軌道に設定される可能性が高い衛星は、静止軌道衛星です。これらの衛星は軌道長半径42,164kmで飛行しますが、LEO衛星は8,400km未満で飛行します。墓場軌道を利用することがなぜ興味深いのでしょうか？静止軌道（GEO）で飛行する場合、そのような高度でわずかに高い軌道に投入するために必要なエネルギー（燃料）の量は、再突入に必要なエネルギー量よりもはるかに少ないからです。一方、私たちの場合（LEO）、墓場軌道まで行くには、私たちが持ち運べる以上のエネルギーが必要になりますが、大気圏に再突入すると燃料が安く済みます。

空気抵抗と衛星のダイナミクス

低軌道では、衛星は大気中における動きと反対方向に作用する空気抵抗を経験します。この抗力の大きさは、次のように表されます。

FD はニュートン（N）単位の抗力です。

ρ は、立方メートルあたりキログラム（kg/m³）単位の大気密度です。

A は、平方メートル（m²）単位の物体の断面積です。物体のうち、空気の流れに面する部分の表面積です。

CD は抗力係数（無次元）です。物体が空気中をどれだけ容易に移動するかを示す数値です。値が低いほど抵抗が少なく、値が高いほど抵抗が大きいことを意味します。

v はメートル毎秒 (m/s) で表した速度です。

大気の密度 ρ と衛星の速度 v が抗力にどのように影響するかをよりよく理解するために、ちょっとした思考実験を行ってみましょう。 ρ については、私たちが地面（通常の空気に囲まれている）と水（空気の約 773 倍の密度）の中を走っているところを想像してみてください。そうすれば、私たちがいる媒体の密度が高いほど、動きにくくなることが簡単に理解できます。例えば、車の窓から腕を出すことを想像してみてください。車が加速（速度増加）するにつれて、空気に押し戻されるため、腕を安定させるのが難しくなります。ベクトル形式では、負の符号は抗力が速度と反対方向であることを示します。地球から約 80 キロメートル上空から始まる熱圏は、太陽活動に特に敏感です。太陽嵐の間、太陽からの高エネルギー放射の増加によって熱圏が加熱され、膨張します。この膨張により、通常は大気が薄い高度でも大気の密度が高くなります。その結果、密度の増加によって衛星の空気抵抗が増加します。低軌道にある衛星はより大きな抗力を受け、軌道の減衰が加速します。基本的に、熱圏は太陽嵐に反応して大気の抗力を増幅させ、衛星が軌道を維持することをより困難にします。

2024年9月13日公開、執筆者：Cyriaque Guillot、Ivan Conti