Wissenschaftler überprüfen das Flugbahndesign und die Optimierung für die Erkundung des Jupitersystems

Das Jupitersystem hat seit langem das Interesse der menschlichen Erforschung geweckt. Allerdings bilden Jupiter und seine vier Galileischen Monde eine einzigartige und komplexe dynamische Umgebung mit mehreren Körpern, die die Gestaltung und Optimierung der Flugbahn vor große Herausforderungen stellt.

Darüber hinaus erschweren die extrem starke Strahlungsumgebung des Jupiter und der geringe verfügbare Treibstoff von Raumfahrzeugen die Flugbahngestaltung zusätzlich. Um den Anforderungen verschiedener Missionen zur Erkundung des Jupitersystems gerecht zu werden, neue Missionskonzepte zu entwickeln und einen höheren Nutzen bei geringeren Kosten zu erzielen, wurden in den letzten zwei Jahrzehnten verschiedene Theorien und Methoden zur Flugbahngestaltung und -optimierung vorgeschlagen oder entwickelt.

Es mangelt an einer umfassenden Überprüfung dieser Methoden, was für die Weiterentwicklung neuer Entwurfstechniken und den Vorschlag neuer Missionspläne ungünstig ist.

In einem kürzlich veröffentlichten Übersichtsartikel in Weltraum: Wissenschaft und TechnologieWissenschaftler der Nanjing University of Aeronautics and Astronautics und der Rutgers State University of New Jersey bieten eine systematische Zusammenfassung der Vergangenheit und modernste Methoden für vier Haupterkundungsphasen, darunter die Jupiter-Eroberung, die Tour zu den Galileischen Monden und Jupiter globale Kartierung sowie das Umkreisen und Landen auf einem Zielmond.

Zunächst besprechen die Autoren die Techniken, das Design und die Optimierung der Jupiter-Einfangbahnen. Mit der satellitengestützten Erfassungstechnik kann der erforderliche Δv deutlich gesenkt werden. Abhängig von der Anzahl der beteiligten Galileischen Monde kann man sie in Einfach-, Doppel-, Dreifach- und Vierfachsatellitengestützte Aufnahmen einteilen. Im letzten Jahrhundert wurde von Cline die Einzelsatelliten-unterstützte Einfangbedingung im Zweikörperproblem abgeleitet.

Für die mehrfachsatellitengestützte Erfassung durch Vorbeiflüge an zwei oder mehr Galileischen Monden werden die Techniken einer Phasenwinkelanalyse basierend auf der Laplace-Resonanz und der Nahresonanz von Callisto und Ganymed vorgeschlagen, um dreifach- und vierfachsatellitengestützte Erfassung zu ermöglichen Einfangsequenzen werden von Lynam et al. untersucht.

Die durch mehrere Satelliten unterstützte Erfassung ist komplexer, kann jedoch das erforderliche Δv im Vergleich zur durch einzelne Satelliten unterstützten Erfassung weiter verringern. Darüber hinaus wurde das Problem der satellitengestützten Erfassung ohne Δv von Macdonald und McInnes analysiert. Es wurden auch andere Techniken vorgeschlagen, um die Kosten zu senken. Ein Raumschiff mit einer langen Leine kann aufgrund des starken Magnetfelds des Jupiter eine ausreichend große Lorentzkraft als Antrieb für die Einfangung erzeugen.

Der solarelektrische Antrieb (SEP) ist aufgrund seines viel höheren spezifischen Impulses als der herkömmliche chemische Antrieb eine günstige Option für Jupiter-Erkundungsmissionen. Die Technik der Ankunft an der Wolkendecke ist ein weiterer Ansatz, um eine Jupiterumlaufbahn effizient zu erreichen. Darüber hinaus können die Studien zum Flugbahndesign und zur Flugbahnoptimierung zum Einfangen eines Raumfahrzeugs in einer Jupiterumlaufbahn in zwei Fälle eingeteilt werden.

Der erste Fall konzentriert sich nur auf die Flugbahnen im Jupitersystem, während der zweite Fall die heliozentrischen interplanetaren Transfers mit satellitengestützten Aufnahmen integriert. Unter Berücksichtigung unterschiedlicher Dynamiken werden verschiedene Methoden zur Auslegung und Optimierung entwickelt.

Zweitens überprüfen die Autoren die Touren der Galileischen Monde. Das Patched-Conics-Modell wird aufgrund seiner Einfachheit häufig zur effizienten Analyse und Gestaltung von Tourtrajektorien verwendet, die Vorbeiflüge an Galileischen Monden enthalten. Resonanzhüpfen, Blütenblattrotation, Kurbel-Over-the-Top-Sequenzen (COT), Switch-Flip und Cyclers sind spezielle Vorbeiflugsequenzen auf der Tour zu den Galileischen Monden.

Mit der VILM-Technik (V-infinity Leveraging Manöver) können gewünschte Änderungen der Übergeschwindigkeit des Raumfahrzeugs zum Mond erzielt und die Effizienz des Orbitmanövers verbessert werden. Das Tisserand-Diagramm und das (V-Infinity, Resonance)-Diagramm sind nützliche Werkzeuge für Designer, um brauchbare schwerkraftunterstützte Sequenzen zu ermitteln.

Obwohl die Zweikörpertechniken praktisch sind, nutzen sie die natürliche Dynamik des Jupiter-Mond-Systems nicht vollständig aus und weisen Einschränkungen in der Anwendung auf. Daher wurde eine Reihe von Techniken für die Gestaltung von Dreikörper-Flugbahnen entwickelt. Das Tisserand-Poincaré-Diagramm, die Vorbeiflugkarte und der Tisserand-Leveraging-Transfer werden schrittweise entwickelt, um Orbittransfers mit niedrigem Δv in CRTBP zu entwerfen.

Invariante Mannigfaltigkeiten von Librationspunktbahnen und instabilen Resonanzbahnen bieten einen Zugang zum Entwurf kostengünstiger Flugbahnen zwischen Monden. Das effiziente Patchen invarianter Mannigfaltigkeiten ist in neueren Studien ein wichtiges Anliegen. Darüber hinaus besteht ein Hauptproblem, das die Entwurfseffizienz einschränkt, darin, dass das Dreikörperproblem nicht analytisch gelöst werden kann und auf numerischer Integration beruht.

Die beliebte Technik der künstlichen Intelligenz (KI) bietet einen neuen möglichen Ansatz zur Lösung des Problems. Darüber hinaus ist die Umwandlung von Low-Fidelity-Trajektorien in High-Fidelity-Trajektorien in der Ingenieurspraxis von wesentlicher Bedeutung. Ein Fortsetzungsparameter κ kann verwendet werden, um das Patched-Conics-Modell gemäß einer Fortsetzungsmethode von Bradley und Russell in das n-Körper-Modell umzuwandeln.

Was die Optimierung betrifft, so umfasst die deterministische Optimierung einer Rundreisemission zwei Teile: (a) die Optimierung der Vorbeiflugsequenz, die eine breite Suche erfordert, und (b) die impulsive und kontinuierliche Flugbahnoptimierung mit einer gegebenen Vorbeiflugsequenz. Bei einer tatsächlichen Mission gibt es jedoch viele Unsicherheiten wie Modellunsicherheiten, Navigationsfehler, Orbitalmanöverfehler usw., sodass vor dem Start ein robustes Design der Flugbahnen erforderlich ist.

Drittens überprüfen die Autoren die globalen Kartierungsbahnen des Jupiter. Im Gegensatz zu den Flugbahnen mit geringer Neigung benötigen Jupiters globale Kartierungsflugbahnen hohe Neigungen. Einerseits können die Schwerkraftunterstützungen der Galileischen Monde genutzt werden, um die Neigungen der Raumsonde zu erhöhen.

Andererseits werden sich wiederholende Erdbahnumlaufbahnen unter der nicht-kugelförmigen Störung von Jupiter entworfen. Darüber hinaus erfordert die Anpassung der Erkundungsbahn um Jupiter möglicherweise lange Flugzeittransfertrajektorien, was aufgrund des Konvergenzproblems bei Verwendung der anfänglichen Schätzung aus einer Keplerschen Lambert-Lösung eine Herausforderung darstellt.

Viertens untersuchen die Autoren die Flugbahnen von Mondorbitern und Landern. Was Umlaufbahnen um Galileische Monde betrifft, sind Umlaufbahnen in geringer Höhe und in der Nähe des Polarkreises geeignete Kandidaten für wissenschaftliche Umlaufbahnen, aber stark geneigte Umlaufbahnen um Europa sind aufgrund der Gravitationswirkung des Jupiter als dritter Körper nicht stabil und können leicht mit Europa kollidieren.

Wie man langlebige Umlaufbahnen entwerfen kann, untersuchen verschiedene Wissenschaftler unter Berücksichtigung der Gezeitenkräfte des Jupiter und der J2-, C22-, J3- und J4-Störungen Europas. Darüber hinaus werden hochinklinierte und nahezu kreisförmige künstliche gefrorene Umlaufbahnen um Europa mit geringem Schub untersucht. Lösungen natürlicher gefrorener Umlaufbahnen werden auch für Ganymed und Callisto basierend auf den Milankovitch-Elementen gefunden.

Die Beobachtung eines Mondes mithilfe niederenergetischer Umlaufbahnen ist ein alternativer Ansatz, bei dem die heteroklinen und homoklinen Verbindungen zwischen instabilen periodischen Umlaufbahnen um die Punkte L1 und L2 des Dreikörpersystems Planet-Mond als Missionsbahnen für Beobachtungen vorgeschlagen werden. Bei der Umlaufbahnerfassung bei galiläischen Monden geht es zunächst um die Frage, wie man sich dem Zielmond nähert.

Der endgültige planare und räumliche Ansatz ist an Resonanzbahnen gebunden und die erforderlichen Resonanzen wurden mithilfe der Berechnung der invarianten Mannigfaltigkeiten von Lyapunov- und Halobahnen bewertet. Die Senkung der Erfassungskosten ist das zweite wichtige Thema, bei dem die vorübergehende Erfassung eine Option darstellt. Was die Landung auf galileischen Monden betrifft, wurden nur wenige Studien zu den Flugbahnen für die Landung auf dem galileischen Mond veröffentlicht.

Nachfolgend finden Sie eine kurze Zusammenfassung zum Vergleich verschiedener Techniken und Methoden:

(1) Die Zweikörpertechniken eignen sich für die Gestaltung von Vorbeiflugbahnen im Jupitersystem und sind nicht in der Lage, die Mehrkörperdynamik zu nutzen, was möglicherweise zu höheren Treibstoffkosten führt, während die Dreikörpertechniken oder Mehrkörpertechniken diese weiter nutzen können natürliche Dynamik des Jupitersystems, aber komplexer und zeitaufwändiger.

(2) Techniken mit geringem Schub können aufgrund des viel höheren spezifischen Impulses oder der Nutzung des Magnetfelds des Jupiter Treibstoff sparen. Allerdings ist die Umlaufbahnkorrekturfähigkeit bei geringem Schub geringer als bei Delta-V, was zu neuen Navigationsherausforderungen führt.

(3) Die meisten der existierenden Trajektorienoptimierungsmethoden sind deterministisch, wodurch die entworfenen Trajektorien nicht robust gegenüber den Unsicherheiten sind und eine zukünftige Navigationsanalyse erforderlich ist. Im Gegensatz dazu berücksichtigt die robuste Trajektorienoptimierung die Unsicherheiten und die erhaltene optimale Steuerung ist robust.

Eine robuste Flugbahnoptimierung ist jedoch aufgrund der Ausbreitung der Bahnunsicherheiten in der Mehrkörperdynamik und des großen Lösungsraums eine Herausforderung.

Nach dem aktuellen Forschungsfortschritt wird in Zukunft mit der Entwicklung folgender Aspekte gerechnet: (1) Mehrkörpertechniken im Engineering-Missionsdesign, (2) robuste Methoden zur Flugbahnoptimierung und (3) KI-Techniken.