科学者が木星系探査の軌道設計と最適化を検討

2023 年 8 月 18 日

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北京理工大学出版局著

木星系は長い間人類の探査の関心を集めてきました。 しかし、木星とその 4 つのガリレオ衛星は、軌道設計と最適化に大きな課題をもたらす、独特で複雑な多天体動的環境を形成しています。

さらに、木星の非常に強い放射線環境と宇宙船の利用可能な燃料の少なさにより、軌道設計の難易度はさらに高まります。 木星系探査の多様なミッションの要件を満たし、新しいミッションコンセプトを開発し、より低いコストでより高いメリットを得るために、過去 20 年間に軌道設計と最適化に関するさまざまな理論と方法論が提案または開発されました。

これらの方法論の包括的なレビューが不足しているため、新しい設計手法をさらに開発したり、新しいミッション計画を提案したりするには不利です。

最近『Space: Science & Technology』に掲載されたレビュー記事の中で、南京航空航天大学とニュージャージー州立大学ラトガース校の学者らが、4 つの主要な探査フェーズに関する過去および最先端の方法論を体系的にまとめています。木星の捕獲、ガリレオ衛星のツアー、木星の地球地図作成、目標の月の周囲の周回と着陸が含まれます。

まず、著者らは木星捕獲軌道の技術、設計、最適化をレビューします。 衛星支援捕捉技術を使用すると、必要な Δv を大幅に下げることができます。 関与するガリレオ衛星の数に応じて、単一、二重、三重、および四重衛星支援捕捉に分類できます。 前世紀において、単一衛星支援捕捉条件は二体問題においてクラインによって導出された。

2 つ以上のガリレオ衛星のフライバイによる複数衛星支援の捕獲に関しては、ラプラス共鳴とカリストとガニメデの近共鳴に基づく位相角解析の手法が、三重および四重衛星支援による捕獲を見つけるために提案されています。捕捉配列は Lynam らによって研究されています。

複数の衛星による捕捉はより複雑ですが、単一衛星による捕捉と比較​​して必要なΔvをさらに減少させることができます。 さらに、Δv を使用しない衛星支援捕捉の問題は、マクドナルドとマッキンズによって分析されました。 コストを削減するために他の技術も提案されている。 長いテザーを備えた宇宙船は、木星の強力な磁場により、捕獲のための推進力として十分に大きなローレンツ力を生成する可能性があります。

太陽光電気推進 (SEP) は、従来の化学推進よりも比推力がはるかに高いため、木星探査ミッションに有利な選択肢です。 雲頂到達技術は、木星の軌道を効率的に達成するためのもう 1 つのアプローチです。 さらに、探査機を木星軌道に捕捉するための軌道設計と最適化に関する研究は、2つのケースに分類できます。

最初のケースは木星系の軌道のみに焦点を当てており、2 番目のケースは太陽中心の惑星間移動と衛星支援の捕捉を統合しています。 さまざまなダイナミクスを考慮して、設計と最適化のためのさまざまな方法が開発されています。

次に、著者はガリレオ衛星のツアーをレビューします。 パッチドコニクスモデルは、そのシンプルさのため、ガリレオ衛星の接近を含むツアー軌道を効率的に分析および設計するためによく使用されます。 共鳴ホッピング、花びらの回転、クランク オーバー ザ トップ (COT) シーケンス、スイッチ フリップ、およびサイクラーは、ガリレオ衛星のツアーにおける特別なフライバイ シーケンスです。