宇宙船はどうやって自分の速度を知るのか？

火星へ向かう宇宙船の中で、あなたは「今、どのくらいの速さで飛んでいるのか」を知ることができるでしょうか。

地球上なら簡単です。窓の外を木々や建物が流れていくのを見れば、速さの感覚はつかめます。車にはタイヤの回転数を計算するスピードメーターがあり、飛行機は翼の周囲を流れる空気の速さを測るセンサーを持っています。海上ではGPS衛星からの信号で位置を割り出し、移動距離と時間から速度を計算します。

しかし宇宙空間には、木も建物も空気も、そしてGPS信号すらありません。では、宇宙船はどうやって自分の速度を把握しているのでしょうか。

「速さ」と「速度」——まず言葉を整理する

物理学では「速さ（スピード）」と「速度（ベロシティ）」を区別します。速さは単純に「単位時間あたりに進む距離」ですが、速度には方向の情報も含まれます。

たとえば、花から花へと飛び回るミツバチを想像してください。一定の速さで飛んでいても、方向が常に変わるため、速度は絶えず変化しています。宇宙船の軌道計算でも同様に、速さだけでなく方向を含めた速度ベクトルを正確に把握することが不可欠です。火星への飛行では、速度のわずかなズレが惑星との「待ち合わせ」を失敗させかねないのです。

もう一つ重要な概念があります。速度は「何に対して」測るかによって変わります。船の甲板上で自転車を漕いでいる人の速度は、船に対しては時速4マイルですが、海面に対しては船の速度との合計になります。宇宙空間でも同じことが言えます。地球を基準にするか、月を基準にするか、太陽を基準にするかによって、数値はまったく異なります。NASAのアルテミスIVミッションが2028年に月面着陸を目指す際、着陸船は地球ではなく月を基準とした速度を使います。当然ですね——月に降りるのですから。

ドップラー効果——音から電波へ

宇宙での速度測定に最もよく使われる方法の一つが、ドップラー効果を利用したものです。

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電車が近づいてくるとき、音が高く聞こえ、通り過ぎると低くなる——あの現象です。音波が電車の進行方向に「押し縮められ」て、耳に届く波の数が増えるために起こります。同じことは光や電波などの電磁波でも起きます。光の場合、近づいてくる天体の光は青みがかり（青方偏移）、遠ざかる天体の光は赤みがかります（赤方偏移）。

電波は大気の影響を受けにくいという特性があります。そのため、地上から宇宙船に向けて電波を送り、反射して戻ってきた電波の周波数を比較することで速度を計算できます。たとえば、送信した電波の周波数が100 MHz（1×10⁸ヘルツ）で、戻ってきた電波が1.00001×10⁸ Hzだったとすると、この微小な差から宇宙船が毎秒1,000メートルの速さで近づいていることがわかります。

ただし、この方法には限界もあります。測定できるのは観測者に近づく、または遠ざかる方向の速度だけです。宇宙船が観測者の視線に対して垂直方向に動いていれば、ドップラーシフトは生じません。また、宇宙船が月の裏側に隠れるなど、見通し線（ライン・オブ・サイト）が遮られると計測できなくなります。今年2026年4月6日、オリオン宇宙船が月の裏側を通過した際も、地上管制との通信が一時途絶えました。

慣性計測——自分自身で速度を「積み上げる」

では、地上との通信が途絶えたとき、宇宙船はどうするのでしょうか。そこで活躍するのが慣性計測装置（IMU）です。

目隠しをして車に乗っているところを想像してください。発進するとき、シートに体が押し付けられる感覚がありますね。その「押し付けられる力の大きさ」と「それが続いた時間」を掛け合わせれば、速度の変化量がわかります。最初の速度さえわかっていれば、加速度を積み分けていくことで現在の速度を追跡できます。

この原理を応用したのが慣性計測装置です。加速度センサーとジャイロスコープを組み合わせ、宇宙船が受けたあらゆる加速度を記録し続けます。JAXAの探査機やNASAの宇宙船にも搭載されており、外部からの信号なしに自律的に速度と位置を推定できます。

ただし、誤差は時間とともに蓄積されます。長期の宇宙飛行では、ドップラー計測や天体観測など他の手法と組み合わせて精度を保つことが一般的です。

なぜ今、この問いが重要なのか

宇宙速度の測定は、純粋な科学の話にとどまりません。SpaceX、Blue Origin、そしてJAXAが関わる商業宇宙飛行の時代が本格化する中、精密な速度計測技術は宇宙船の安全な帰還や惑星探査の成否を左右する基盤技術です。

日本では、JAXAが2020年に小惑星リュウグウからサンプルを持ち帰ったはやぶさ2ミッションで、まさにこれらの技術を駆使しました。地球から3億キロメートル以上離れた小惑星に接触し、正確にサンプルを採取して戻ってくるためには、速度と位置の精密な管理が不可欠でした。

さらに視野を広げると、宇宙での速度測定技術は地球上の応用にも還元されています。自動運転車のLiDARセンサー、気象観測レーダー、医療用の超音波診断装置——これらはすべてドップラー効果の応用です。宇宙を測る技術は、私たちの日常にも静かに溶け込んでいます。