科学技術と共に歩む

☆発行前情報のため，一部変更となる場合がございます

本書は，大学の理工学系の学部初年度生，工業高等専門学校上級生，あるいは宇宙に興味を持っている高校生を念頭に執筆しました。20世紀中頃から始まり，70年を越えた人類の宇宙開発は，いま，地球まわりでは気象衛星やGPS衛星をはじめとするさまざまな分野で実用化の時代を迎え，一方，太陽系内の月や他の惑星・準惑星・衛星・小惑星・彗星などの探査や太陽系の生成や宇宙の誕生の謎を探るプロジェクトの実施，さらには人類の宇宙居住のための計画が検討されています。

宇宙開発にはじつに多岐にわたる学問が関連しています。すなわち，宇宙機の製造や，その打上げ，運用，さらに地球環境・気象観測・農漁業観測などの地球環境計測に関わる機械，電気電子，通信，誘導，制御などの工学分野や，太陽系の生成や宇宙の誕生の謎を探る宇宙探査・観測に関わる理学分野，打上げや軌道，地球まわりのスペースデブリに関する世界各国の取り決めに関わる法学分野，莫大な費用を伴う大型プロジェクトに関する経済学分野，宇宙環境の人体に与える影響を評価する医学分野なども関係してきます。

このようにさまざまな学問分野が関係する宇宙開発では，数々の分野の知識や経験を持った方々の協力の上に成り立っています。本書は，理工学分野に興味を持つ皆さんに，いま（これから），何を，どう勉強していけばよいのか，何が必要とされているのかを示すことができればという思いで執筆しました。すなわち，地球まわりの実用分野においても，宇宙探査の分野においても，いま（これから）皆さんが勉強している（しようとしている）大学教養課程の数学・物理が，どのような形で宇宙開発につながっているのか，またそのためにはその前段階の高校数学・物理からどのように進展しているのかを理解することが重要です。

一方，詳細かつ実際的な検討を行うためにはより進んだ数学・物理や計算機科学が必要になります。本書においては，宇宙に興味を持ってくださる皆さんに（たとえ，その分野が理学であれ，工学であれ，医学であれ…）皆さんの勉強している（しようとしている）数学・物理等々がどのように宇宙につながっているかを，気象衛星や観測衛星に代表される地球周回衛星や太陽系内の他の惑星，衛星等々を探査する宇宙探査機の地上からの打上げ，目標軌道への投入などを題材に紹介していきます。

まず，本書の1章から6章までは，「宇宙航行の基礎と実例」ともいうべき内容で，人工衛星・宇宙探査機を打ち上げてから，予定の軌道に投入するまでを順を追って，その物理的意味を主眼に説明しています。一方，7章は「宇宙航行のための数学・物理」として，1章から6章までの定量的な基礎となる数学的・物理的裏付けを単なる公式集ではなく，物理現象を記述できる数学として紹介しています。より詳細な数学的裏付けはそれぞれの専門書を参考にしてください。

1章は万有引力が作用している物体（天体）に成り立つケプラーの法則に関し，法則の物理的意味とその証明を導いています。その結果，得られる天体の軌道である円錐曲線から，楕円軌道を中心に軌道を定義しています。2章は，実用・観測・探査の対象である地球を始めとする太陽系内の恒星（太陽），惑星，衛星，準惑星，小惑星（帯），彗星，エッジワース・カイパーベルト天体やオールトの雲など太陽系の天体の概要について述べ，いままでの研究開発成果や今後の予定などについて簡単に紹介しています。

3章は衛星，探査機を打ち上げるためのロケット推進の原理，その性能パラメータ，軌道投入に必要とされる速度増分をどのように獲得するかを説明し，その後実際の打上げのシーケンスなどを，地球静止衛星を例に紹介します。4章では静止軌道などの地球周回衛星について，その軌道設計から各種軌道（太陽同期軌道，回帰軌道，準天頂軌道など）について記述しています。

5章では，これまでの軌道力学の実践的な応用として，月や惑星を目標天体として，打上げから目標天体を周回する軌道に投入するまでの軌道遷移手順と，それぞれの軌道を表現する際に鍵となるパラメータを示しています。6章では，1章で二体問題として求めたケプラー運動に対し，他天体の重力の影響，さらに国際宇宙ステーションへの接近やフォーメーションフライトなどのランデブー問題や軌道遷移に関するランベルト問題などを取り扱っています。これらの各章の関係を図に示します。