天体の運動を支配する原理を追究する天体力学は、科学史の中でも特に重要な役割を果たしてきた学問分野です。コペルニクスの著書『天球の回転について』（1543年）と、ガリレオによる木星衛星の観測（1610年）は、科学的手法の基礎を与えるとともに、17世紀の科学革命を先導しました。「革命」に当たる英単語「revolution」は、ラテン語の「revolvere（回転する、運行する）」に由来し、もともとは太陽のまわりを公転する惑星の運動を表す単語でした。天体の運動を例に物体の運動法則を論じたニュートンの『プリンキピア（自然哲学の数学的諸原理）』は、言うまでもなく科学史上最も重要な著作の一つです。19世紀末にはポアンカレが著書『天体力学の新しい方法』（1893年）にてカオス理論の基礎を与え、1915年にはアインシュタインが一般相対性理論の最初の検証例として水星の近日点の移動を説明しました。

　20世紀の後半に入り、天体力学を応用する新しい分野が生まれました。人工天体（宇宙機）の運動を扱う軌道工学、あるいはミッションデザインと呼ばれる分野です。宇宙工学の一分野であるミッションデザインでは、ミッションの成果を最大にすべく、時にコストやリスクにも目を配りながら、宇宙機の軌道を設計します。物理、数学、工学の専門知識を用いて、ミッション要求を満たす軌道の形状・配置を探究し、そこに至るまでの最適な経路と合わせて、宇宙機を設計する技術者や観測を計画する科学者に提示します。すべてのミッションには異なる目的があり、異なる制約が課されるので、ミッションデザインでは毎回、新しく創造的な作品が求められます。そのため我々ミッションデザイナーは、自身を芸術家に例えることを好みます。もっとも、より適切な例えとしては、お客さんの要望を聞きながら宇宙探査ツアーを企画する旅行代理店というところでしょうか。

　軌道設計をこのように捉えれば、「衛星ツアー」と呼ばれる特別なタイプの軌道がある、と言われても驚かないでしょう。衛星ツアーでは、宇宙機は惑星のまわりを何周回もしながら、その惑星の衛星に何度も接近（フライバイ）します。フライバイは衛星に接近・観測する機会として重要なだけではありません。フライバイ時の衛星重力による宇宙機の軌道変化は精密に予測できるので、惑星を周回する宇宙機の軌道を燃料消費なしに変更する手段として、フライバイは利用されます。軌道工学の分野において、「惑星」フライバイは特に新しい技術ではありません。1970〜80年代にボイジャー探査機が成し遂げた太陽系グランドツアーでは、木星、土星、天王星、海王星のフライバイが使われました。しかし、軌道運動の時間スケールが短い衛星ツアーでは※1、フライバイはより大々的に使用され、ツアーの間に数十回もの衛星フライバイが設定されることもあります。この記事では、衛星ツアーのミッションデザインについて、例を用いながら、その典型的な要求、制約、設計手法を紹介したいと思います。しかし本題に入る前に、そもそも、なぜ惑星系の衛星を探査しようと思うのでしょうか？

　太陽系探査において、惑星系の衛星が興味深い探査対象として取り上げられるようになったのは、ここ20〜30年のことです。木星系ではNASA（アメリカ航空宇宙局）によるガリレオ探査機（1989年打上げ）が、土星系ではNASAとESA（欧州宇宙機関）とASI（イタリア宇宙機関）によるカッシーニ／ホイヘンス探査機（1997年打上げ）が、初めての衛星ツアーを実現し、数々の画期的な発見をもたらしました。木星の衛星イオでは火山が荷電粒子を放出し、それが木星磁場により加速されて巨大なプラズマトーラスを形成しています。土星の衛星タイタンの表面には液体メタンの川と海が広がり、エンケラドゥスの表面からは水蒸気が噴出しています。木星の衛星エウロパ、ガニメデ、カリスト、土星の衛星エンケラドゥスでは、地下に液体の海が存在する証拠が発見され、もし原始的な地球外生命が我が太陽系に存在するとすれば、それは、おそらくこのような氷衛星の地下だろうと考えられるようになりました。

　ガリレオとカッシーニの成功を受け、米国、欧州、日本の宇宙機関では、惑星系の衛星を再訪し、その地質、化学、組成、そしてより広く生物の居住可能性を調べるべく、数多くの探査計画が検討されました。その中でも最も野心的な計画の一つが「エウロパ・木星系探査ミッション」であり、欧州（ガニメデ周回探査）、米国（エウロパ周回探査）、日本（木星磁気圏探査）が参加する巨大な国際協力ミッション構想でした。その後、米国と日本の構想は資金面の課題から断念されましたが、欧州の構想はJUICE計画として再構成され、2020年代の打上げが予定されています。