この項目「重力ターン方式」は翻訳されたばかりのものです。不自然あるいは曖昧な表現などが含まれる可能性があり、このままでは読みづらいかもしれません。（原文：en:Special:Redirect/revision/985977997
）重力ターン（じゅうりょくターン、英: gravity turn）またはゼロリフトターン（英: zero-lift turn）とは、天体の周回軌道に宇宙機を投入、もしくは逆に周回軌道から宇宙機を着陸させる際におこなうマニューバのひとつであり、重力を使用して機体を目的の軌道に誘導する軌道最適化（英語版）のひとつである。高度を稼ぐための垂直飛行から軌道速度を稼ぐための水平飛行に遷移するための姿勢制御を、すべて機体に取り付けたスラスタなどの推力にのみ頼って行う場合と比較して、重力ターン方式の主な利点として次の2つが挙げられる。第一に、機体の進行方向を変えるために推力を用いないため、より多くの推力を軌道速度への加速に使うことができる。第二のより重要な利点は、上昇段階の間、機体の迎え角をゼロもしくは小さくすることができる点である。これにより、機体横方向への空力的応力を最小限に抑えることができ、機体の軽量化が可能となる[1][2]。
重力ターンという用語は、軌道投入および軌道離脱以外に、惑星の重力を使用して宇宙機の方向を変えること全般を指して用いられる場合がある[3]。この文脈で使用される場合、スイングバイとも似ているが、スイングバイと言った場合は宇宙機の方向変更と同時に加減速を行うことがあるのに対し、重力ターンと言った場合は方向のみの変更を指す。
打ち上げ手順
垂直上昇垂直上昇段階中の時刻 t {\displaystyle t} と t + 1 {\displaystyle t+1} における速度ベクトルを示した図。ロケットの速度は、前時刻の速度と推力による加速度、重力加速度とのベクトル和により決まる。より正確には次式により決定される。 V t + 1 = V t + ( a thrust + a gravity ) ⋅ Δ t {\displaystyle V_{t+1}=V_{t}+(a_{\text{thrust}}+a_{\text{gravity}})\cdot \Delta t}
重力ターンは、スペースシャトルなど、垂直に発射するロケットにおいて広く一般的に使用されている。ロケットはまずまっすぐ上に上昇し、垂直速度と高度の両方を上げる。この段階においては、重力加速度がロケットの推力による加速度から直接減算され、ロケットの垂直方向への加速度を低下させる。この加速度損失は重力損失（英語版）と呼ばれ、ピッチオーバーマニューバと呼ばれる操作をできるだけ早く実行することで最小限に抑えることができる。また、機体への大きな空力負荷を避けるためにも、ピッチオーバーは垂直速度が小さいときに実行する必要がある[1]。
ピッチオーバーは、ロケットエンジンをわずかにジンバルして、推力の一部を片側に向ける（推力偏向）ことにより達成される。この力により機体にはトルクがかかり、向きが垂直方向から変わる。ピッチオーバー角度はロケットによって異なり、ロケットの慣性航法装置に入力されている[1]。わずか数度とするロケットもあれば、数十度という比較的大きな角度とするロケットもある。ピッチオーバーが完了すると、エンジンは再度ロケットの軸に沿った方向に戻される。理想的な重力ターン軌道投入においては、操舵目的で推力を用いる必要があるのはこの段階のみである。ピッチオーバーマニューバには2つの目的があり、1つはロケットをわずかに回転させて飛行経路を垂直から逸らすことである。2つめは、軌道投入に向けてロケットを正しい方向に向けることである。ピッチオーバーの後は軌道投入完了まで、ロケットの迎え角はゼロに調整される。これにより横方向の空力負荷を低減でき、上昇中の揚力も無視できる。
ダウンレンジ加速ダウンレンジ加速中の時刻tおよびt+1における速度ベクトルを示した図。前述のように、ロケットの新しい速度は、前の速度、推力による加速度、重力加速度のベクトル和により決定する。重力は真下に作用するため、新しい速度ベクトルは水平に近くなる。すなわち、軌道が重力により「ターン」する。
ピッチオーバーの後は、ロケットの飛行経路は完全に垂直ではなくなるため、重力の作用により飛行経路は地面に向かって曲がっていく。ロケットが推力を発生していなかった場合、飛行経路はボールを投げた場合と同様単純な楕円になり[注釈 1]、やがて水平を通り越して地面へと落下していく。しかし、ロケットは推力を発生しているため、水平を向くまでに安定した軌道に投入するに足る十分な高度と速度を得ることができる。
多段ロケットの場合、各段の分離とエンジン点火との間にはある程度エンジン燃焼を停める時間が必要であるが、ロケットの設計によっては、各段の燃焼開始までに追加で慣性飛行する時間が必要となる場合がある。ロケットの推力が大きい場合には特に、すぐ燃焼を始めるとロケットが重力により水平方向を向くよりもはるかに前に燃料を使い果たしてしまうため、慣性飛行時間は長くなる[2]。この手法は、地球など大気の厚い惑星からの打ち上げの場合にも有効となる。慣性飛行中にも重力により飛行経路は回転しつづけるため、ピッチオーバー角をより小さくとることができ、そのぶん垂直速度を大きくとり、大気圏からより速やかに脱出することができる。これにより、打ち上げ時の空力損失と空力負荷の両方を軽減することができる。その後、慣性飛行中に大気圏よりも上でロケットは水平になるため、迎え角がゼロの状態でエンジンを再点火すれば機体は水平方向に加速されて軌道へと投入される。
降下および着陸手順
