Ученые рассматривают дизайн и оптимизацию траектории для исследования системы Юпитера.Система Юпитера уже давно привлекает внимание людей. Однако Юпитер и его четыре галилеевых спутника образуют уникальную и сложную динамическую среду, состоящую из нескольких тел, которая сильно затрудняет проектирование и оптимизацию траектории.
Кроме того, чрезвычайно сильная радиационная среда Юпитера и малое количество доступного топлива космического корабля еще больше усложняют проектирование траектории. Чтобы удовлетворить требования различных миссий по исследованию системы Юпитера, разработать новые концепции миссии и получить более высокие результаты с меньшими затратами, за последние два десятилетия были предложены или разработаны различные теории и методологии проектирования и оптимизации траектории.
Отсутствует всесторонний обзор этих методологий, что неблагоприятно для дальнейшей разработки новых методов проектирования и предложения новых схем миссии.
В обзорной статье, недавно опубликованной в журнале Space: Science & Technology , ученые из Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики и Рутгерского государственного университета Нью-Джерси систематически обобщают прошлые и современные методологии для четырех основных этапов исследований. включая захват Юпитера, путешествие по галилеевым спутникам, глобальное картографирование Юпитера, а также облет вокруг целевой луны и посадку на нее.
Во-первых, авторы рассматривают методы, дизайн и оптимизацию траекторий захвата Юпитера. Используя технику спутникового захвата, требуемое значение Δv может быть значительно снижено. В зависимости от количества задействованных галилеевых спутников его можно разделить на одиночный, двойной, тройной и четырехкратный захват спутников. В прошлом веке условие захвата с помощью одного спутника было получено Клайном в задаче двух тел.
Что касается многоспутникового захвата посредством пролета двух или более галилеевых спутников, то для нахождения трех- и четырехкратного спутникового последовательности захвата изучаются Lynam et al.
Захват с помощью нескольких спутников более сложен, но он может еще больше уменьшить требуемое значение Δv по сравнению с захватом с помощью одного спутника. Кроме того, проблема спутникового захвата без Δv была проанализирована Макдональдом и Макиннесом. Также были предложены другие методы для снижения стоимости. Космический корабль с длинным тросом может генерировать достаточно большую силу Лоренца в качестве движущей силы для захвата из-за сильного магнитного поля Юпитера.
Солнечная электрическая двигательная установка (SEP) является благоприятным вариантом для миссий по исследованию Юпитера из-за ее гораздо более высокого удельного импульса, чем традиционная химическая двигательная установка. Еще одним подходом к эффективному выходу на орбиту Юпитера является метод прихода в верхние слои облаков . Кроме того, исследования по проектированию и оптимизации траектории для вывода космического корабля на орбиту Юпитера можно разделить на два случая.
Первый случай фокусируется только на траекториях в системе Юпитера, в то время как второй случай объединяет гелиоцентрические межпланетные переходы с захватами со спутников. Разрабатываются различные методы проектирования и оптимизации с учетом различной динамики.
Во-вторых, авторы рассматривают туры галилеевых спутников. Модель с заплатками-кониками часто используется для эффективного анализа и проектирования траекторий тура, содержащих пролет галилеевых спутников из-за ее простоты. Резонансные прыжки, вращение лепестков, последовательности кривошипа над верхней частью (COT), переключение переключателя и циклеры — это особые последовательности пролета в туре по галилеевым лунам.
Техника маневрирования с использованием V-бесконечности (VILM) может добиться желаемых изменений избыточной скорости космического корабля к Луне и повысить эффективность маневра на орбите. График Тиссерана и график (V-Infinity, Resonance) являются полезными инструментами для дизайнеров, позволяющими подобрать жизнеспособные последовательности, связанные с гравитацией.
Хотя методы двух тел удобны, они не полностью используют естественную динамику системы Юпитер-Луна и имеют ограничения в применении. Поэтому был разработан ряд методов для проектирования траектории трех тел. График Тиссерана – Пуанкаре, карта пролета и перенос с использованием Тиссерана разрабатываются постепенно для проектирования переходов на низкую орбиту Δv в CRTBP.
Инвариантные многообразия орбит точек либрации и нестабильных резонансных орбит открывают возможности для разработки недорогих траекторий путешествия между лунами. Эффективное исправление инвариантных многообразий является важной задачей в недавних исследованиях. Кроме того, ключевая проблема, ограничивающая эффективность проектирования, заключается в том, что задача трех тел не может быть решена аналитически и зависит от численного интегрирования.
Популярный метод искусственного интеллекта (ИИ) предлагает новый возможный подход к решению этой проблемы. Кроме того, преобразование траекторий с низкой точностью в траектории с высокой точностью имеет важное значение в инженерной практике. Параметр продолжения κ можно использовать для преобразования модели с заплатками в модель с n телами в соответствии с методом продолжения Брэдли и Рассела.
Что касается оптимизации, то детерминистическая оптимизация тура состоит из двух частей: (а) оптимизация последовательности пролета, требующая широкого поиска, и (б) импульсная и непрерывная оптимизация траектории с заданной последовательностью пролета. Однако в реальной миссии существует много неопределенностей, таких как неопределенности модели, навигационные ошибки, ошибки орбитального маневра и т. д., поэтому перед запуском необходимо надежное проектирование траекторий.
В-третьих, авторы рассматривают глобальные картографические траектории Юпитера. В отличие от траекторий с малым наклоном, траектории глобального картографирования Юпитера требуют больших наклонений. С одной стороны, гравитация галилеевых спутников может быть использована для увеличения наклона космического корабля.
С другой стороны, повторяющиеся наземные орбиты рассчитаны на несферическое возмущение Юпитера. Кроме того, корректировка исследовательской орбиты вокруг Юпитера может потребовать траекторий перехода с большим временем полета, что сложно из-за проблемы сходимости с использованием начального предположения из кеплеровского решения Ламберта.
В-четвертых, авторы рассматривают траектории лунных орбитальных аппаратов и посадочных модулей. Что касается орбит вокруг галилеевых спутников, то низковысотные и околополярные орбиты являются подходящими кандидатами в научные орбиты, но сильно наклоненные орбиты вокруг Европы нестабильны и легко сталкиваются с Европой из-за гравитационного эффекта третьего тела Юпитера.
Различные ученые исследуют, как спроектировать долгоживущие орбиты, учитывая приливную силу Юпитера и возмущения J 2 , C 22 , J 3 и J 4 Европы. Кроме того, исследуются высоконаклонные и почти круговые искусственные замороженные орбиты вокруг Европы с малой тягой. Решения естественных замороженных орбит найдены также для Ганимеда и Каллисто на основе элементов Миланковича.
Наблюдение за луной с использованием низкоэнергетических орбит является альтернативным подходом, при котором в качестве миссионерских орбит для наблюдений предлагаются гетероклинические и гомоклинические, соединяющие неустойчивые периодические орбиты вокруг точек L1 и L2 системы трех тел Планета-Луна. Что касается захвата орбиты галилеевых спутников, то первая проблема заключается в том, как приблизиться к целевой луне.
Окончательный планарный и пространственный подход связан с резонансными орбитами, и необходимые резонансы были оценены с использованием вычисления инвариантных многообразий ляпуновских и гало-орбит. Снижение стоимости захвата — вторая важная проблема, когда временный захват является выбором. Что касается посадки на галилеевские луны, было опубликовано лишь несколько исследований по расчетным траекториям посадки на галилеевские луны.
Краткое резюме о сравнении различных техник и методов дается следующим образом:
(1) Методы двух тел полезны для проектирования траекторий пролета в системе Юпитера и не могут использовать динамику нескольких тел, что может привести к увеличению стоимости топлива, в то время как методы трех тел или методы нескольких тел могут дополнительно использовать естественная динамика системы Юпитера, но более сложная и трудоемкая.
(2) Методы малой тяги могут сэкономить топливо за счет гораздо более высокого удельного импульса или использования магнитного поля Юпитера. Однако способность коррекции орбиты малой тяги ниже, чем у дельта-V, что приводит к новым навигационным проблемам.
(3) Большинство существующих методов оптимизации траектории являются детерминированными, с помощью которых рассчитанные траектории не устойчивы к неопределенностям, и требуется будущий навигационный анализ. Напротив, робастная оптимизация траектории учитывает неопределенности, и получаемое оптимальное управление является робастным.
Однако надежная оптимизация траектории является сложной задачей из-за распространения неопределенностей орбиты в динамике нескольких тел и большого пространства решений.
Согласно текущему прогрессу исследований, в будущем ожидается развитие следующих аспектов: (1) многочастичные методы проектирования инженерных миссий, (2) надежные методы оптимизации траектории и (3) методы искусственного интеллекта.
Теги: Юпитер
