Les scientifiques examinent la conception et l'optimisation de la trajectoire pour l'exploration du système jovien

18 août 2023

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par l'Institut de technologie de Pékin Press Co., Ltd

Le système jovien suscite depuis longtemps l’intérêt de l’exploration humaine. Cependant, Jupiter et ses quatre lunes galiléennes forment un environnement dynamique multi-corps unique et complexe qui remet grandement en question la conception et l’optimisation de la trajectoire.

De plus, l’environnement de rayonnement extrêmement puissant de Jupiter et la faible quantité de carburant disponible dans les engins spatiaux augmentent encore la difficulté de conception de trajectoire. Afin de satisfaire les exigences des diverses missions d'exploration du système jovien, de développer de nouveaux concepts de mission et d'obtenir un mérite plus élevé à moindre coût, diverses théories et méthodologies de conception et d'optimisation de trajectoire ont été proposées ou développées au cours des deux dernières décennies.

Il y a un manque d’examen complet de ces méthodologies, ce qui est défavorable au développement ultérieur de nouvelles techniques de conception et à la proposition de nouveaux schémas de mission.

Dans un article de synthèse récemment publié dans Space: Science & Technology, des chercheurs de l'Université d'aéronautique et d'astronautique de Nanjing et de Rutgers, de l'Université d'État du New Jersey, proposent un résumé systématique des méthodologies passées et de pointe pour quatre phases d'exploration principales : y compris la capture de Jupiter, la visite des lunes galiléennes, la cartographie globale de Jupiter, ainsi que la mise en orbite et l'atterrissage sur une lune cible.

Tout d’abord, les auteurs examinent les techniques, la conception et l’optimisation des trajectoires de capture de Jupiter. Grâce à la technique de capture assistée par satellite, le Δv requis peut être considérablement réduit. Selon le nombre de lunes galiléennes impliquées, elle peut être classée en captures simples, doubles, triples et quadruples assistées par satellite. Au siècle dernier, Cline a dérivé la condition de capture assistée par un seul satellite dans le problème à deux corps.

En ce qui concerne la capture assistée par plusieurs satellites lors des survols de deux ou plusieurs lunes galiléennes, les techniques d'analyse d'angle de phase basées sur la résonance de Laplace et la quasi-résonance de Callisto et Ganymède sont proposées pour trouver des satellites triples et quadruples. les séquences de capture sont étudiées par Lynam et al.

La capture assistée par plusieurs satellites est plus complexe mais est capable de diminuer davantage le Δv requis par rapport à la capture assistée par un seul satellite. De plus, le problème de la capture assistée par satellite sans Δv a été analysé par Macdonald et McInnes. D'autres techniques ont également été proposées pour réduire le coût. Un vaisseau spatial doté d'une longue attache peut générer une force de Lorentz suffisamment importante comme propulsion pour la capture en raison du fort champ magnétique de Jupiter.

La propulsion électrique solaire (SEP) est une option favorable pour les missions d'exploration de Jupiter en raison de son impulsion spécifique beaucoup plus élevée que la propulsion chimique traditionnelle. La technique des arrivées au sommet des nuages ​​est une autre approche pour atteindre efficacement l’orbite de Jupiter. En outre, les études sur la conception et l’optimisation de trajectoires pour capturer un vaisseau spatial sur une orbite jovienne peuvent être classées en deux cas.

Le premier cas se concentre uniquement sur les trajectoires dans le système Jupiter tandis que le second intègre les transferts interplanétaires héliocentriques avec des captures assistées par satellite. Différentes méthodes de conception et d'optimisation sont développées, prenant en compte différentes dynamiques.

Deuxièmement, les auteurs passent en revue les visites des lunes galiléennes. Le modèle de coniques patchées est souvent utilisé pour analyser et concevoir efficacement des trajectoires de tournée contenant des survols de lunes galiléennes pour sa simplicité. Les sauts résonants, la rotation des pétales, les séquences de manivelle sur le dessus (COT), les switch-flip et les Cyclers sont des séquences de survol spéciales dans le tour des lunes galiléennes.