木星系多目標探測軌道設計研究

張磊 田百義 周文艷 田岱 朱安文

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

木星系統作為太陽系內最大的行星系統，是深空探測的重要目標之一。通過對木星及其衛星系統的近距離探測，對于了解氣態巨行星的起源和演化以及太陽系的發展具有重要意義。

國際上對木星系統的探測研究始于20世紀70年代，迄今為止，美國和歐洲針對木星系共進行了9次探測。早期以飛越探測為主，如先驅者10號、11號以及卡西尼-惠更斯號等[1]。后期逐漸轉為環繞式探測，如1989年發射的伽利略號和2011年最新發射的朱諾號。作為首顆木星系環繞探測器，伽利略號對木星大氣進行了原位測量，并對木星的4顆伽利略衛星(即木衛一、木衛二、木衛三、木衛四)進行了多次飛越觀測[2]，而朱諾號則在木星橢圓極軌道對木星深層大氣、重力場、磁場以及磁球層等進行了全面觀測[3]。除上述任務外，國外后續還規劃了2次木星系探測計劃，分別是歐洲的“木星冰衛探測”(JUICE)計劃和美國的“快帆”計劃，其中JUICE計劃將重點針對木衛三進行環繞探測[4]，“快帆”計劃將重點針對木衛二進行多次飛越探測[5]。

作為我國2030年前深空探測的總體科學目標之一，統籌開展木星系探測將為完善我國深空探測科學研究體系，推動我國天文學等學科的發展和空間科技的進步發揮重要作用。木星系探測漫長的任務周期和較高的經費需求決定了頂層任務規劃的重要性。我國首次開展木星系探測活動，要統籌科學需求與經濟發展水平，高起點地開展深空探測活動，充分利用后發優勢，爭取一次任務完成木星及其衛星的多目標探測?？紤]到木星系惡劣的空間輻射環境及探測器所攜帶的有限燃料等方面的限制，需對整個任務飛行策略進行研究及綜合優化設計，尋找符合工程約束且總速度增量最優的任務軌道，實現科學探測價值的最大化。

根據上述需求，瞄準未來我國首個木星系及行星際穿越探測任務，本文結合木星系環繞探測任務目標、輻射環境、燃料消耗等方面約束，重點完成木星系多目標探測任務規劃及轉移軌道優化設計，為未來我國首次木星系環繞探測任務的工程實施提供有價值的參考。

1 任務目標分析

表1總結了目前國際上已發射和計劃中的木星系環繞探測任務[6-7]。從表中結果可以看出，除朱諾任務外，國外已開展和規劃中的木星系環繞探測任務均采用了低傾角大橢圓環木軌道，以實現對木星伽利略衛星的多次飛越，豐富探測科學目標。朱諾任務采用的環木極軌道雖然沒有飛越木星的伽利略衛星，但能夠實現對木星極區的多次飛掠探測。此外，JUICE任務除飛越木衛二、木衛三和木衛四之外，最終還計劃實現對木衛三的環繞探測；而“快帆”任務則計劃通過對木衛二的45次飛越，以達到對木衛二全方位探測的效果。

表1 國外木星系環繞探測任務概況

注：RJ表示木星半徑，RJ=71 492.00 km。

根據國際上已有木星系環繞探測任務方案的特點，從任務方案科學性及探測方案先進性角度出發，未來我國木星系環繞探測任務除實現我國首次木星多圈環繞探測之外，可優先考慮實現如下幾點探測目標：

(1)對木星極區的探測，增加對木星高能電子、木星磁場的起源和演化、木星極光形成等的科學認識；

(2)實現盡可能低的飛行高度，提升對木星表面結構、大氣成分等方面的探測精度；

(3)實現對木衛四的環繞探測以及對其他伽利略衛星的飛越探測。由于木衛四處于比其他3顆伽利略衛星更弱的輻射環境，其地質后期演化也是最弱的，保存了更古老的地質信息，因此選取木衛四作為木星衛星系統探測的首選目標，而對木星其他伽利略衛星，盡可能實現多次飛越探測。

綜合分析上述木星系探測任務目標，前兩項目標要求環木軌道為大傾角、大偏心率的短周期軌道，而第3個目標則要求環木軌道傾角及偏心率不能過大。此外，為完成木衛四環繞探測目標，探測器在木星系內轉移過程中需要利用木星伽利略衛星的多次飛越借力，以節省變軌燃料消耗。同時整個飛行過程還要考慮空間輻射環境、任務安全性、工程實現能力等方面的約束。因此，整個木星系內環繞探測任務軌道方案設計將極為復雜，需解決多目標約束下的飛行序列規劃及轉移軌道優化設計。

2 木星系內飛行方案選擇

根據對2029-2033年間地木轉移發射窗口及金星、地球、火星借力效果的分析，綜合考慮探測器出發日期、運載發射能力、木星到達剩余速度、深空機動大小等約束，得到金星-地球-地球(VEE)借力序列在所考慮發射窗口下比金星-地球、金星-金星-地球等序列借力效果更佳。因此，本文以2029年9月25日發射窗口下探測器經金星-地球-地球3次飛越借力后到達木星的最優轉移軌道為初值(見表2)，開展木星系內飛行方案優化設計與分析。

表2 地木轉移段軌道設計結果

根據第1節的分析，為實現對木星極區及木星表面結構的精細探測，要求環木軌道為大傾角、大偏心率的短周期軌道，而要實現對木衛四的環繞，又要求環木軌道傾角及偏心率不宜過大。此外，還要考慮空間輻射環境對軌道高度及軌道面方向的附加約束。由于不同目標對應的軌道約束彼此之間存在一定對立關系，同時兼顧工程實現上具有一定困難。因此需要在不同目標間進行折中或優選，如適當降低軌道傾角以兼顧對木星極區及木衛四的環繞探測，增加近木點高度以減小探測器所受輻射總劑量，或通過多次木衛四飛越代替環繞以保證對木星極區和表面結構的精細探測。為此，結合我國首次木星系環繞探測任務目標及工程約束，本文提出3種木星系內候選飛行方案。

(1)方案一：初始以較大軌道傾角和較低近木點高度完成木星捕獲，并環繞木星飛行，以實現對木星極區觀測以及對木星表面結構的近距離探測，之后利用伽利略衛星的引力輔助，轉移至環繞木衛四軌道。

(2)方案二：初始以較小軌道傾角和較高近木點高度完成木星捕獲，并環繞木星飛行，以降低探測器在木星系內運行所受輻射劑量，之后探測器同樣利用伽利略衛星的引力輔助，轉移至環繞木衛四軌道。

(3)方案三：初始以90°軌道傾角和較低近木點高度完成木星捕獲，并環繞木星飛行，以實現對木星極區的飛掠探測以及對木星表面結構的近距離探測，之后探測器利用伽利略衛星的引力輔助，實現對木衛四的多次飛越探測。

3 木星系內飛行方案優化設計

根據引力輔助軌道動力學模型[8]，利用改進的協作進化算法對木星系內引力輔助轉移軌道進行優化。這里采用的協作進化算法綜合了粒子群算法與差分進化算法的特點，通過共享二者種群最優解的方式進行協作尋優[9]。優化過程中，木星伽利略衛星的位置、速度矢量調用JUP230星歷模型計算[10]。下面給出3種方案具體的優化設計結果。

3.1 方案一

(1)木星捕獲：最后一次地球借力之后，通過1次深空機動，使得探測器到達木星時的近木點高度為4000 km，軌道傾角37.9°。當探測器飛至近木點4000 km處，通過1～2次近木點點火制動，被木星捕獲為30天周期的環木大橢圓軌道。探測器深空機動與木星捕獲所需速度增量為1.236 7 km/s。

(2)環木飛行：探測器在近木點4000 km、周期30天的環木軌道上開展木星探測，運行10圈，時間約300天。

(3)木衛四環繞探測：探測器完成對木星的觀測之后，通過4次深空機動和2次木衛四借力，由初始環木大橢圓軌道轉移至近木星四表面高度300 km、軌道周期17.7 h的環繞木衛四軌道。

表3和圖1給出了探測器在木星系內軌道轉移情況。

該方案變軌過程相對簡單，且可同時實現對木星極區和木衛四的環繞探測。采用20 mm厚等效鋁屏蔽層進行輻射防護，整個轉移過程探測器所受總輻射劑量約為76.1 krad(Si)。

在該方案基礎上，后續通過減小初始環木軌道周期可以增加探測器對木星的環繞探測圈數，不過總速度增量和輻射劑量會相應增加，應根據實際任務需求進行優化設計。

表3 方案一木星系內轉移軌道參數

圖1 方案一木星系內轉移軌道Fig.1 Transfer trajectory in Jovian system of scheme one

3.2 方案二

(1)木星捕獲：與方案一類似，探測器在最后一次地球借力之后，通過1次深空機動，使得探測器到達木星時的近木點高度為9.8RJ，軌道傾角2.1°。探測器到達近木點9.8RJ處，通過1～2次近木點點火制動，被木星捕獲為204天周期的環木軌道。探測器深空機動與木星捕獲所需速度增量為1.806 8 km/s。

(2)環木飛行及木衛四探測轉移軌道：探測器被木星捕獲后，通過2次木衛四借力和3次深空機動，進入近心點高度300 km、軌道周期17.7 h的環繞木衛四軌道，軌道轉移過程中兼顧開展木星探測。通過優化設計，表4和圖2給出了探測器轉移軌道情況。

表4 方案2木星系內轉移軌道參數

圖2 方案二木星系內轉移軌道Fig.2 Transfer trajectory in Jovian system of scheme two

該方案主要實現對木衛四的環繞探測，且由于近木點高度的提升，探測器所受總輻射劑量比方案一更少，采用20 mm厚等效鋁屏蔽層進行防護，探測器所受總輻射劑量約為0.8 krad(Si)。不足之處是該方案環木軌道傾角較小，無法實現對木星極區的探測。

3.3 方案三

(1)木星捕獲：在最后一次地球借力之后，通過一次深空機動，使得探測器到達木星時的近木點高度為4000 km，軌道傾角90°。當探測器到達近木點4000 km處時，通過1～2次近木點制動，被木星捕獲為15天周期的環木軌道。探測器深空機動與木星捕獲所需速度增量為1.332 8 km/s。

(2)環木飛行：探測器在軌道傾角90°、近木點4000 km、周期15天的環木軌道上運行10圈開展木星探測，時間約150天。

(3)多次木衛飛越探測：探測器完成環木探測任務后離開，開展多次木衛飛越探測，飛越順序為：25次木衛四、次木衛三、次木衛二、次木衛一(木衛二、木衛一飛越根據探測器壽命情況拓展)。通過優化，表5和圖3給出了探測器飛行軌道情況。

表5 方案3木星系內轉移軌道參數

該方案可以實現對木星極區的多圈環繞探測，雖然沒有完成對木衛四的環繞，但僅需消耗很小的速度增量，即可實現對木衛四的多次共振飛越探測(相鄰兩次共振飛越間的軌道修正大約在0.1 m/s量級，可以忽略不計)。采用20 mm厚等效鋁屏蔽層進行防護，探測器在飛越木衛四、木衛三探測后所受總輻射劑量約為61.5 krad(Si)。如果進一步拓展對木衛二和木衛一的飛越探測，則總輻射劑量將增加至132.8 krad(Si)。

圖3 方案三木星系內轉移軌道Fig.3 Transfer trajectory in Jovian system of scheme three

3.4 方案對比分析

3種木星系內飛行方案及任務總速度增量對比見表6。由表可知：

(1)方案一可以同時滿足對木星極區及木衛四的環繞探測要求，且近木點高度可以達到4000 km，能夠實現對木星表面結構的精細探測。相比與JUICE任務，該方案軌道傾角更大，對木星大氣的探測范圍更廣，且近木點高度更低。根據環木軌道周期選取的不同，有多種環木探測圈數可供選擇(周期越短、環木圈數越多、總速度增量越大)，是三種方案中的首選。

(2)方案二主要實現對木衛四的環繞探測，且由于探測器近木點高度的提高，總輻射劑量在3種方案中最小，不足之處是無法實現對木星極區及木星表面結構的精細探測。

(3)方案三可以同時達到朱諾任務和“快帆”任務的主要探測目標，既可以實現對木星極區的短周期環繞探測，又能夠完成對伽利略衛星的多次飛越探測，且近木點高度也可以達到4000 km，滿足木星表面精細探測的要求。雖然該方案最終沒有實現對木衛四的環繞，但可以通過多次(25次以上)木衛四飛越探測代替。

表6 三種軌道設計方案比較

4 結束語

本文針對未來我國將要開展的木星系及行星際穿越探測任務，給出了3種木星系內多目標探測飛行方案。候選軌道設計方案均考慮了木星系輻射環境及工程實現等方面的約束。對于方案一和方案二給出的木衛四環繞探測軌道，后續可進一步利用木衛四共振飛越借力降低軌道周期，增加木衛四環繞探測圈數。此外，還可以利用木星伽利略衛星的借力制動，降低木星捕獲的燃料消耗。關于單次任務同時實現木星近距離極軌環繞探測與木衛四環繞探測方案的可行性仍有待于進一步分析和優化。

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