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宇宙力学

軌道力学 拡張シミュレーター — vis-viva 速度・全エネルギー可視化

vis-viva 方程式と軌道全エネルギーを Chart.js で同時可視化する解析寄りの拡張版です。任意の離心率・長半径で v(r) のプロファイルとエネルギー保存則を確認できます。LEO/GEO プリセットを試したい場合や 3 軌道要素の基礎理解は『軌道力学 基礎シミュレーター』を併用してください。

軌道要素

公転周期 T
—年
現在速度
—AU/年
現在距離 r
—AU
経過時間
0.00年
Speed multiplier
20x
軌道
ケプラー
可視化
理論・主要公式

$T = 2\pi\sqrt{\dfrac{a^3}{GM}}$

vis-viva方程式:

$v^2 = GM\!\left(\dfrac{2}{r} - \dfrac{1}{a}\right)$

角運動量Save:

$L = mr^2\dot{\theta} = \mathrm{const}$

💬 ケプラーの法則と万有引力 — 宇宙の「曲がる軌道」の仕組み

🙋
惑星の軌道はなぜ円ではなく楕円になるのですか?
🎓
完全な円軌道になるのは、位置と速度がちょうど釣り合った特別な場合です。少しでも条件がずれると、重力で引かれながら楕円軌道を描きます。太陽に近づくと速く、遠ざかると遅くなるため、自然に楕円運動になります。
🙋
離心率を上げると近日点付近で急に速くなります。これはケプラー第2法則ですか?
🎓
はい。太陽と惑星を結ぶ線分が同じ時間に同じ面積を掃くという法則です。これは角運動量保存 $L=mr^2\dot{\theta}$ の表れでもあります。
🙋
ハレー彗星プリセットでは、遠くにいる時間が長く、内側を一気に通過しますね。
🎓
ハレー彗星は離心率が約0.967の細長い楕円軌道です。近日点では金星軌道の内側まで近づき、遠日点では海王星より遠くへ行きます。周期は約75から76年で、次回の接近は2061年ごろです。
🙋
vis-viva方程式は何を表しますか?
🎓
$v^2=GM(2/r-1/a)$ により、軌道上の任意の位置での速度を、現在距離 $r$ と軌道長半径 $a$ から求めます。近日点では速く、遠日点では遅いことを定量化できます。
🙋
人工衛星の打ち上げではどう使われますか?
🎓
低軌道から静止軌道へ移る場合などに、ホーマン遷移が使われます。近地点で加速して楕円遷移軌道に入り、遠地点でもう一度加速して円軌道化します。

よくある質問

惑星は太陽を1つの焦点とする楕円軌道を描く、という法則です。円軌道は離心率0の特別な場合です。
太陽系では、軌道長半径 $a$ をAU、周期 $T$ を年で表すと、おおよそ $T^2=a^3$ です。火星は $a\approx1.52$ AU なので周期は約1.87年になります。
vis-viva方程式で $a\to\infty$ とおくと、$v_{escape}=\sqrt{2GM/r}$ が得られます。地球表面では約11.2km/sです。
Verlet法を用いており、軌道力学で重要なエネルギー保存性を比較的保ちやすい方法です。ただし時間刻みが大きすぎると軌道が徐々にずれるため、高離心率では小さな刻みが望ましいです。
惑星探査機の軌道設計、スイングバイ、衛星の軌道維持、宇宙ごみの追跡などで使われます。正確な軌道計算はランデブーやドッキングにも不可欠です。

軌道力学シミュレーターとは?

🙋
軌道の形や速度は、どのパラメータで決まりますか?
🎓
中心天体の重力パラメータ、軌道長半径、離心率で大きく決まります。離心率が0なら円軌道、0から1の間なら楕円軌道、1以上では放物線・双曲線軌道になります。
🙋
vis-viva方程式は何を表しますか?
🎓
軌道上の任意の位置での速度を、中心天体からの距離と長半径から求める式です。近日点では速く、遠日点では遅くなることを定量的に示します。

物理モデルと主要式

ケプラーの第3法則は、軌道長半径と公転周期の関係を表します。

$$T=2\pi\sqrt{\frac{a^3}{GM}}$$

vis-viva方程式は、軌道上の距離 $r$ における速度 $v$ を与えます。

$$v^2=GM\left(\frac{2}{r}-\frac{1}{a}\right)$$

使い方ガイド

  1. 中心天体の質量 M(sl_M、単位:太陽質量 M☉、0.2〜4)を設定します。本ツールは AU・年・太陽質量系で計算し、GM_☉=4π² AU³/年² を用います
  2. 半長軸 a(sl_a、0.3〜20 AU)と離心率 e(sl_e、0〜0.97)をスライダーで調整し、楕円軌道を定義します。地球は a=1 AU・e≈0.017、ハレー彗星は a≈17.8 AU・e≈0.967 です
  3. vis-viva方程式 v²=GM(2/r−1/a) による速度プロファイルと全エネルギー E=−GM/(2a) を可視化し、近日点・遠日点での速度差を確認します

具体的な計算例

本ツールの既定値(e=0.3、a=1.5 AU、M=1 M☉)では、ケプラー第3法則 T=2π√(a³/GM) から公転周期 T≈1.84年。vis-viva 方程式より近日点(r_per=a(1−e)=1.05 AU)の速度は v_per≈6.99 AU/年、遠日点(r_apo=a(1+e)=1.95 AU)では v_apo≈3.77 AU/年となり、近日点で速く遠日点で遅いことが定量的に確認できます。離心率 e を上げるほど両者の差が拡大します。

実務での注意点

  1. 静止軌道ステーションキープでは燃料消費を最小化するため、±0.1度の離心率制御が必須です。e値の微小変化で速度差が変わり、推進系の噴射時間が増加します
  2. 月遷移軌道(TLI)では双曲線軌道領域(a<0)を扱うため、計算式の符号に注意し、脱出速度 v_esc=sqrt(2μ/r) との関係を確認してください
  3. 衛星衝突回避マヌーバ時にはvis-viva方程式で目標速度を即座に算出し、推進力マージンを確保する必要があります