科学家回顾木星系统探索的轨迹设计和优化

木星系统因其重要的科学价值而极大地引起了人类探索的兴趣。然而，木星及其4颗伽利略卫星形成了独特而复杂的多体动力学环境，对轨道设计和优化提出了巨大挑战。而且木星极强的辐射环境和航天器可用燃料的低水平进一步增加了轨道设计的难度。为了满足木星系统探测多样化任务的需求，发展新的任务概念，以更低的成本获得更高的效益，在过去的20年里提出或发展了多种轨迹设计和优化的理论和方法。鉴于缺乏对这些方法的全面审查，这不利于进一步发展新的设计技术和提出新的任务方案。在最近发表的一篇评论文章中《太空：科学与技术》中，来自南京航空航天大学和新泽西州立大学罗格斯大学的学者对木星捕获、巡视太空等4个主要探索阶段的过去和最新方法进行了系统总结。伽利略卫星、木星全球测绘以及围绕目标卫星运行和着陆。

首先，作者回顾了木星捕获轨迹的技术、设计和优化。使用卫星辅助捕获技术，所需的 Δ v 可以显着降低。根据伽利略卫星的数量，可分为单星、双星、三星和四星辅助捕获。上个世纪，Cline在二体问题中推导了单星辅助捕获条件。针对飞越2颗及以上伽利略卫星的多星辅助捕获，提出了基于拉普拉斯共振、木卫四和木卫三近共振的相角分析技术，以寻找三、四星辅助捕获。 Lynam等人研究了捕获序列。 多星辅助捕获更为复杂，但与单星辅助捕获相比能够进一步降低所需的Δv 。另外，卫星辅助捕获没有Δv的问题 麦克唐纳和麦金尼斯对此进行了分析。还提出了其他技术来降低成本。由于木星的强磁场，系绳较长的航天器可能会产生足够大的洛伦兹力作为捕获的推进力。太阳能电力推进(SEP)因其比传统化学推进更高的比冲而成为木星探索任务的有利选择。云顶到达技术是有效实现木星轨道的另一种方法。此外，针对航天器进入木星轨道的轨道设计和优化研究可分为两种情况。第一个案例仅关注木星系统的轨迹，而第二个案例则将日心行星际转移与卫星辅助捕获相结合。考虑到不同的动力学，开发了各种设计和优化方法。图3给出了游览轨迹设计和优化方法的概述。

其次，作者回顾了伽利略卫星的巡游。由于其简单性，修补圆锥模型通常用于有效分析和设计包含飞越伽利略卫星的旅行轨迹。共振跳跃、花瓣旋转、曲柄过顶 (COT) 序列、开关翻转和循环器是伽利略卫星之旅中的特殊飞越序列。V-无限杠杆机动(VILM)技术可以实现航天器登月超速的理想改变，提高轨道机动效率。Tisserand 图和(V-Infinity，共振)图是设计人员选择可行的重力辅助序列的有用工具。尽管二体技术很方便，但它们没有充分利用木月系统的自然动力学，并且在应用中存在局限性。所以，已经开发了一系列用于三体轨迹设计的技术。Tisserand-Poincaré 图、Flyby 图和 Tisserand-Leveraging Transfer 以渐进的方式开发，用于设计低Δv CRTBP 中的轨道转移。平动点轨道的不变流形和不稳定的共振轨道为设计卫星之间的低成本巡游轨迹提供了途径。有效修补不变流形是最近研究中的一个重要问题。此外，制约设计效率的一个关键问题是三体问题无法解析求解，只能依赖数值积分。流行的人工智能(AI)技术为解决这一难题提供了一种新的可能方法。此外，将低保真轨迹转换为高保真轨迹在工程实践中至关重要。根据 Bradley 和 Russell 的连续方法，连续参数 κ 可用于将修补二次曲线模型转换为 n 体模型。至于优化， 巡回任务的确定性 优化包括两个部分：(a)需要广泛搜索的飞越序列优化和(b)给定飞越序列的脉冲和连续轨迹优化。然而，在实际任务中，存在模型不确定性、导航误差、轨道机动误差等诸多不确定性，因此 需要在发射前对轨迹进行鲁棒设计。

第三，作者回顾了木星全球测绘轨迹。与低倾角游览轨迹不同，木星的全球测绘轨迹需要高倾角。一方面，伽利略卫星的重力辅助可以用来增加航天器的倾斜度。另一方面，重复的地面轨道是在木星的非球面摄动下设计的。此外，调整木星周围的探索轨道可能需要长飞行时间的转移轨迹，由于使用开普勒兰伯特解的初始猜测的收敛问题，这具有挑战性。

第四，作者回顾了月球轨道器和着陆器的轨迹。至于围绕伽利略卫星的轨道，低空和近极轨道是合适的科学轨道候选者，但围绕木卫二的高倾斜轨道不稳定，由于木星的第三体引力效应，容易与木卫二相撞。考虑到木星和J 2、C 22、J 3 、J 4的潮汐力，不同学者研究了如何设计长寿命轨道 欧罗巴的扰动。此外，还研究了围绕欧罗巴的低推力高倾角和近圆形人造冻结轨道。基于米兰科维奇元素，还找到了木卫三和木卫四的自然冻结轨道解。另一种方法是利用低能轨道观测月球，提出将星月三体系统L1和L2点周围不稳定周期轨道之间的异宿和同宿连接作为观测任务轨道。对于伽利略卫星的轨道捕获，首要问题是如何接近目标卫星。最终的平面和空间方法与共振轨道相关，并且使用李雅普诺夫和晕轨道的不变流形的计算来评估所需的共振。降低捕获成本是第二个重要问题，临时捕获是一种选择。至于登陆伽利略卫星，关于伽利略登月设计轨迹的研究仅有少数发表。

最后，作者得出结论。关于比较不同技术和方法的简要总结如下。(1) 二体技术可用于设计木星系统的飞越轨迹，无法利用多体动力学，可能导致较高的燃料成本，而三体技术或多体技术可以进一步利用多体动力学木星系统的自然动力学，但更加复杂和耗时。(2)低推力技术由于比冲较高或利用木星磁场，可以节省燃料。但低推力的轨道修正能力低于delta-V，这给导航带来了新的挑战。(3)现有的轨迹优化方法大多是确定性的，设计的轨迹对于不确定性不具有鲁棒性，需要进行未来的导航分析。相比之下，鲁棒轨迹优化考虑了不确定性，获得的最优控制是鲁棒的。然而，由于多体动力学中轨道不确定性的传播和巨大的解空间，鲁棒的轨迹优化具有挑战性。根据目前的研究进展，未来预计将在以下方面发展：(1)工程任务设计中的多体技术，(2)鲁棒轨迹优化方法，(3)人工智能技术。然而，由于多体动力学中轨道不确定性的传播和巨大的解空间，鲁棒的轨迹优化具有挑战性。根据目前的研究进展，未来预计将在以下方面发展：(1)工程任务设计中的多体技术，(2)鲁棒轨迹优化方法，(3)人工智能技术。然而，由于多体动力学中轨道不确定性的传播和巨大的解空间，鲁棒的轨迹优化具有挑战性。根据目前的研究进展，未来预计将在以下方面发展：(1)工程任务设计中的多体技术，(2)鲁棒轨迹优化方法，(3)人工智能技术。