スイングバイ
質量 m1 の主星の周りを、公転半径 r2in の真円の公転軌道を公転速度 v2in で公転している質量 m2 の惑星に対して、質量 m3 の宇宙機が速度 v3in で進入して、スイングバイを行うとする。そして、スイングバイ後の惑星の惑星の公転半径は r2out 、公転速度は v2out 、宇宙機の速度は v3out となるとする。なお、 m 1 > m 2 ≫ m 3 {\displaystyle m_{1}>m_{2}\gg m_{3}} であり、速度は主星に対するものである。
惑星の軌道の変化は少ないので、スイングバイ後の公転軌道も真円と考えて概算する。スイングバイ後の惑星の軌道について正確にいえば、増速スイングバイが行われた後は、スイングバイが行われた付近を遠地点とする楕円軌道になり、減速スイングバイが行われた後は、スイングバイが行われた付近を近地点とする楕円軌道になる。
主星の重力と惑星の公転による遠心力が釣り合っていることから、次の関係がある。G は万有引力定数である。
G m 1 m 2 r 2 i n 2 = m 2 v 2 i n 2 r 2 i n {\displaystyle {\frac {Gm_{1}m_{2}}{r_{\rm {2in}}^{2}}}={\frac {m_{2}v_{\rm {2in}}^{2}}{r_{\rm {2in}}}}}
スイングバイ(日: かすめ飛行〈かすめひこう〉・英: swing-by)とは、天体の運動と万有引力(以下重力とする)を利用し、宇宙機の運動ベクトルを変更する技術。天体重力推進(てんたいじゅうりょくすいしん、英: gravity assist)とも呼ばれる。
天体の「固有運動」の後ろ側あるいは前側の近傍を通過(フライバイ)することにより、天体と宇宙機の相互のあいだで、重力によって運動量と運動エネルギーがやりとりされ、それぞれの運動ベクトルが通過前と通過後で変化する。
スラスタ(ロケットエンジン)によるロケットエンジンの推進剤の噴射による加減速と違い、推進剤の消費が無い。そのことから、内惑星や外惑星、さらには太陽系外へといった、地球軌道外の目的軌道へ宇宙探査機などを送り出すためによく使われる。スイングバイを初めて使用した探査機は水星探査機マリナー10号であり、1974年2月5日に金星を用いたスイングバイによって太陽を約半年(水星の公転周期の約2倍)で周回する軌道に乗り、水星へと向かった。
軌道傾斜角を大きく変えるために有効な手段のひとつでもある。アメリカ航空宇宙局と欧州宇宙機関による太陽極軌道観測機「ユリシーズ」で、太陽の両極を観測するために使われた。ユリシーズはいったん木星に行き、1回のスイングバイで黄道面からほぼ直角に方向を変えて太陽の南極側へと向かった。日本の例では、「のぞみ」を当初の予定から外れた軌道から火星へ到達させるため、当初の予定には無かった、2度の地球スイングバイにより軌道傾斜角の大きな軌道を半周させたことがある。「はやぶさ2」でも、地球スイングバイにより、増速度と同時に軌道傾斜角の変更もおこなっている。
スイングバイにより宇宙機が加速されると、そのぶん惑星の公転速度が減ることになる。速度が落ちることで惑星は太陽に若干近づき、軌道半径が小さくなるために再び速度は増えて落ち着く。結局、加速スイングバイでは、惑星の位置エネルギーが減り、宇宙機の運動エネルギーと惑星の運動エネルギーがそのぶん増えるのである。
逆に、スイングバイによって宇宙機が減速する場合は、惑星は、若干太陽から遠ざかり、公転速度が遅くなる。そして、宇宙機の運動エネルギーと惑星の運動エネルギーが減ったぶん、惑星の位置エネルギーが増える。
しかし、惑星と宇宙機の質量の比は非常に大きいため、惑星への影響は無視できるほど極めて小さい。例えば、木星とボイジャー 1 号や 2 号との質量比は 2.6×10(2.6 兆×1 兆)対 1 程度で、地球と少々重めのノートパソコン(2.3 kg 程度)を比較するのに等しい。スイングバイによりボイジャーが 15 km/s から 30 km/s に加速したとすると、それにより、木星の公転半径は約 1.4×10 m 小さくなり、公転速度は約 1.2×10 m/s 速くなることになる。
なお、サイエンスフィクションにおいては、質量比を無視できないほどの物体(非常に多数の小惑星など)をスイングバイさせることによって、惑星の軌道や自転軸などをずらすといったアイディアが用いられている作品がある。
SF作品などで描かれているスイングバイの例を紹介する。ただし、これらはあくまでも架空の設定である。
2001年宇宙の旅(小説版) 宇宙船ディスカバリー号は、木星でスイングバイによる加速を行った後に土星へと向かう。
2010年宇宙の旅 宇宙船レオーノフ号は前方に遮熱バルーンを展開し、木星の大気摩擦を流用しながら減速スイングバイを行い木星の周回軌道に乗った。
スタートレックIV 故郷への長い道 太陽の重力を利用したスリングショットにより、タイムトラベルを行う。
宇宙戦艦ヤマト 復活篇 アマールへの第3次移民船団がブラックホールの重力を利用して加速し、ワープを行う。
銀河英雄伝説 (アニメ) 第50話。ライガール・トリプラ両星域の会戦においてシュタインメッツ艦隊がヤン・ウェンリー指揮するイゼルローン要塞駐留艦隊(ヤン艦隊)の中央突破・背面展開戦法により攻守が逆転してブラックホールに追い込まれてしまい、果敢に応戦するもヤン艦隊の猛攻に力尽きたため、脱出するためにシュバルツシルト半径ぎりぎりをかすめて高速を得るブラックホールを利用したスイングバイ航法を実行する。艦隊はスイングバイ実行中にヤン艦隊によって狙い撃ちにされた上、ブラックホールに多数の艦艇を呑まれてしまうなど最終的に8割の損害を出すも、辛うじて脱出に成功した。
ブレーメンII 爆発寸前の惑星から脱出するため、エンジンの不調を補うためにスイングバイ航法で離脱する場面がある。作中では既に廃れた航法であり、「技術が未発達だった時代の貧乏くさい節約航法」と称されている。
インターステラー エンデュランスがブラックホールの重力を利用したスイングバイを実行。それに伴う時間の遅れは51年になる。