光もスウィングバイ

昨今自分の脳裏をかすめるのが、スイングバイ。です。

はああ
って言うかもしれませんが、宇宙好きの私にとってこれは結構難問です。

スイングバイを知らない方の為に、簡単に説明すると、
天体を使って、宇宙船の方向を変えて、速度を変える手法です。
峠のコーナーを攻める８６のヒール＆トーでシフトダウンした時に似ています。
と訳のわからないことを言ってしまいましたが。

天体の静的エネルギーを利用して、
宇宙船の速度を上げたり下げたりできるのです。
例えば、天体の前を横切ると、速度が落ちます。
天体の後ろを通ると速度が上がります。

理由はざっくり言うと、天体が進んでる方向に出ると、
天体の動的エネルギーをもらって早くなります。
天体が進んでる方向と逆に出ると、
天体の動的エネルギーが奪われて遅くなります。

まあ、トラックの荷台からボールを投げた時に、
進行方向に投げれば、トラックのスピードにボールの速度が付加され、
後ろ向きに投げれば、トラックのスピードからボールのスピードの分遅くなるのと同じ原理です。
こんなのでわかるかなあ。

光もスウィングバイ

光は重力レンズ効果で屈折させられることは、
アインシュタインが予想して、実際に太陽の裏に隠れている天体が見えたことで、証明されたのです。

光が動的エネルギーだと考えると、
曲がるんだろうなと勝手に思っていましたが、
現在の物理では、光は粒子と波の性質を持つってことになっています。

なぜ一つのものを２つの別物にしたか不思議です。
私なら、搬送波＋エネルギーで合体して
搬送波に乗ってエネルギーがやってくる。
かな。
トラックが、荷物を運んでくるような感じ。
です。

質量とエネルギーは同じとみなすことができてE＝mc²だから、
エネルギも質量も同じだと考えれば、光もスウィングバイするかもです。
もしも、光エネルギーがE_Lとすれば、
光の質量m_Lは、

m_L = E_L / c²

になります。
しかし、光速は宇宙で一番速い速度だから、速度は変わらないかもしれませんが、
いや遅くなることはあるかもしれない。
それはまた考えることにしよう。

しかし、光の進行方向が、変わることは確かです。

ちなみに動いている光って、見えないです。
何かにぶつかって、光エネルギーが光（波）に変わってはじめて見えます。
だから、障害物の無い宇宙は暗いのです。
もし動いている光が見えたら、
宇宙中明るくて大変なことになります。
宇宙はうまくできている。と感心。

さて、光のスイングバイは、質量エネルギー変換でわかったことにしましょう。（勝手に終わる）

次に、スイングバイの仕組みをエネルギーバランスで説明しようと思っているのですが、
これがなかなか難儀です。

このように考えてみました。

スイングバイをエネルギーバランスで考えてみた

上図だけではなんのことやら分からないと思いますが、

をイメージしています。

例えば、太陽の周りを回っている、地球から宇宙船が発射されて、
木星でスイングバイすることを考えてみます。

地球から脱出する為には、地球からa1離れたところで、
静的エネルギーSa1の２倍以上の動的エネルギーが必要となります。
それはともかく、地球を脱出して木星に向かって宇宙船が飛行しています。

m２は木星の質量です。
木星の影響圏内に、
宇宙船が入ってきたとします。

どこから木星の影響圏かというと、
影響圏判定を使えば太陽が親か木星が親かが判定できます。

今回は、R：影響圏の境界で木星のテリトリーに入ったとします。
２S_R：m２の静的エネルギーの２倍がテリトリーの境になります。

位置Rの宇宙船の動的エネルギーをA_Rとします。
A_xRを円軌道方向の動的エネルギー
A_YRを中心天体方向の動的エネルギーとすると
A_R=A_xR＋A_YRに成ります。
A_xR=２S_Rになります。

ここで、宇宙船が、b：最近点の位置まで近づいたとします。

aを基準軌道半径とすると
A_YR=A_R-A_XR=Saとなり、位置aの静的エネルギーになります。
これから、A_R、A_XRは既知なので、基準半径aはわかります。
bは 2 x a　になりますので、最近点の位置bがわかります。

最近点まで移動すると、
中心方向の静的エネルギーSaと
位置bの動的エネルギーAbが等しくなりバランスします。
バランスすると今度は、静的エネルギーの低い方に宇宙船は動き始めます。
そしてRの位置まで戻り、木星の影響圏を脱出し、再び太陽が親になります。
詳細は、このブログを参照してください。

上の説明は、木星が止まっていると仮定した場合ですが、
実際は木星は動いています。
宇宙船の親が木星になった瞬間（木星の影響圏に入った）に、
軌道慣性で木星の動的エネルギーが継承されます。

木星のトラックに、宇宙船が乗るイメージになります。
そして出口では、木星の動的エネルギーを受けたまま放り出される為、
木星の進行方向に放り出されれば速度が上がり、
進行方向と逆に放り出されれば速度が下がります。

そして、木星の影響圏を脱出した宇宙船は、
太陽の影響圏に入って、
再び、太陽を中心天体とした、
楕円軌道を描くことになります。

これが私が考えた、スウィングバイの原理なのですが、どうでしょうか。