Bilim adamları, Jovian sistem keşfi için yörünge tasarımını ve optimizasyonunu gözden geçiriyor

Jovian sistemi uzun zamandır insan keşfinin ilgisini çekmiştir. Bununla birlikte, Jüpiter ve onun dört Galile uydusu, yörünge tasarımı ve optimizasyonunu büyük ölçüde zorlayan benzersiz ve karmaşık çok gövdeli dinamik bir ortam oluşturur.

Ayrıca, Jüpiter’in son derece güçlü radyasyon ortamı ve uzay aracının mevcut yakıtının düşük olması, yörünge tasarımının zorluğunu daha da artırmaktadır. Jovian sistemi keşfinin çeşitli görevlerinin gereksinimlerini karşılamak, yeni görev konseptleri geliştirmek ve daha düşük maliyetle daha yüksek değer elde etmek için, son yirmi yılda yörünge tasarımı ve optimizasyonuna ilişkin çeşitli teoriler ve metodolojiler önerildi veya geliştirildi.

Yeni tasarım tekniklerinin daha fazla geliştirilmesi ve yeni görev şemalarının önerilmesi için elverişsiz olan bu metodolojilerin kapsamlı bir inceleme eksikliği vardır.

Geçenlerde yayınlanan bir inceleme makalesinde Uzay: Bilim ve TeknolojiNanjing Havacılık ve Uzay Bilimleri ve Rutgers Üniversitesi’nden bilim adamları, New Jersey Eyalet Üniversitesi, Jüpiter’in yakalanması, Galile uydularının turu, Jüpiter dahil olmak üzere dört ana keşif aşaması için geçmişin ve son teknoloji metodolojilerin sistematik bir özetini sunuyor. küresel haritalama ve yörüngede dolaşma ve hedef bir aya iniş.

İlk olarak, yazarlar Jüpiter’in yakalama yörüngelerinin tekniklerini, tasarımını ve optimizasyonunu gözden geçiriyor. Uydu destekli yakalama tekniği kullanılarak gerekli Δv önemli ölçüde düşürülebilir. İlgili Galile uydularının sayısına göre, tek, çift, üçlü ve dörtlü uydu destekli yakalamalar olarak sınıflandırılabilir. Geçen yüzyılda, tek uydu destekli yakalama koşulu, iki cisim probleminde Cline tarafından türetilmiştir.

İki veya daha fazla Galile uydusunun yanından geçerek çoklu uydu destekli yakalamaya gelince, üçlü ve dörtlü uydu destekli bulmak için Laplace rezonansına ve Callisto ve Ganymede’nin yakın rezonansına dayalı bir faz açısı analizi teknikleri önerilmiştir. yakalama dizileri Lynam ve diğerleri tarafından incelenmiştir.

Çoklu uydu destekli yakalama daha karmaşıktır ancak tek uydu destekli yakalamaya kıyasla gerekli Δv’yi daha da azaltabilir. Ek olarak, Av olmadan uydu destekli yakalama sorunu Macdonald ve McInnes tarafından analiz edilmiştir. Maliyeti azaltmak için başka teknikler de önerilmiştir. Uzun ipli bir uzay aracı, Jüpiter’in güçlü manyetik alanı nedeniyle, yakalama için itici güç olarak yeterince büyük Lorentz kuvveti üretebilir.

Solar elektrikli tahrik (SEP), geleneksel kimyasal tahrikten çok daha yüksek özgül itici gücü nedeniyle Jüpiter keşif görevleri için uygun bir seçenektir. Bulutların geliş tekniği, Jüpiter yörüngesine verimli bir şekilde ulaşmak için başka bir yaklaşımdır. Ayrıca, Jüpiter yörüngesine bir uzay aracının yakalanması için yörünge tasarımı ve optimizasyon çalışmaları iki durum olarak kategorize edilebilir.

İlk durum yalnızca Jüpiter sistemindeki yörüngelere odaklanırken, ikinci durum güneş merkezli gezegenler arası transferleri uydu destekli yakalamalarla bütünleştirir. Tasarım ve optimizasyon için farklı dinamikler dikkate alınarak çeşitli yöntemler geliştirilmiştir.

İkincisi, yazarlar Galile uydularının turlarını gözden geçiriyor. Yamalı konik model, basitliği nedeniyle Galile uydularının geçişlerini içeren tur yörüngelerini verimli bir şekilde analiz etmek ve tasarlamak için sıklıkla kullanılır. Rezonans atlama, taç yaprağı dönüşü, tepeden tırnağa çevirme (COT) dizileri, anahtar çevirme ve Bisikletçiler, Galile uyduları turundaki özel uçuş dizileridir.

V-infinity kaldıraçlı manevra (VILM) tekniği, uzay aracının aya olan aşırı hızında istenen değişiklikleri sağlayabilir ve yörünge manevrasının etkinliğini artırabilir. Tisserand grafiği ve (V-Sonsuz, Rezonans) Grafiği, tasarımcıların uygulanabilir yerçekimi destekli dizileri yakalamaları için faydalı araçlardır.

İki cisim teknikleri uygun olsa da, Jüpiter-ay sisteminin doğal dinamiklerinden tam olarak yararlanmazlar ve uygulamada sınırlamaları vardır. Bu nedenle, üç cisim yörünge tasarımı için bir dizi teknik geliştirilmiştir. Tisserand-Poincaré grafiği, Flyby haritası ve Tisserand-kaldıraçlı transfer, CRTBP’de düşük-av yörünge transferlerini tasarlamak için kademeli bir şekilde geliştirildi.

Librasyon noktası yörüngelerinin değişmez manifoldları ve kararsız rezonans yörüngeleri, aylar arasında düşük maliyetli tur yörüngesi tasarlamak için bir geçit sağlar. Değişmeyen manifoldları verimli bir şekilde yamalamak, son araştırmalarda önemli bir endişe kaynağıdır. Ek olarak, tasarım verimliliğini kısıtlayan önemli bir problem, üç cisim probleminin analitik olarak çözülememesi ve sayısal entegrasyona dayanmasıdır.

Popüler yapay zeka (AI) tekniği, zorluğun üstesinden gelmek için yeni bir olası yaklaşım sunar. Ayrıca, düşük doğruluktaki yörüngelerin yüksek doğruluktaki yörüngelere dönüştürülmesi mühendislik uygulamalarında esastır. Bradley ve Russell’ın devam yöntemine göre, yamalı konik modeli n-gövde modeline dönüştürmek için bir devam parametresi κ kullanılabilir.

Optimizasyona gelince, bir tur görevinin deterministik optimizasyonu iki bölümden oluşur: (a) geniş arama gerektiren uçuş sırası optimizasyonu ve (b) belirli bir uçuş sekansı ile dürtüsel ve sürekli yörünge optimizasyonu. Bununla birlikte, gerçek bir görevde, model belirsizlikleri, navigasyon hataları, yörünge manevra hataları vb. gibi birçok belirsizlik vardır, bu nedenle fırlatmadan önce yörüngelerin sağlam bir şekilde tasarlanması gerekir.

Üçüncüsü, yazarlar Jüpiter’in küresel haritalama yörüngelerini gözden geçiriyor. Düşük eğimli tur yörüngelerinin aksine, Jüpiter’in küresel haritalama yörüngeleri yüksek eğimlere ihtiyaç duyar. Bir yandan, uzay aracının eğimlerini artırmak için Galile uydularının yerçekimi yardımcıları kullanılabilir.

Öte yandan, tekrar eden yer izi yörüngeleri, Jüpiter’in küre olmayan pertürbasyonu altında tasarlanmıştır. Ek olarak, Jüpiter etrafındaki keşif yörüngesini ayarlamak, Keplercı Lambert çözümünden elde edilen ilk tahminin kullanıldığı yakınsama sorunu nedeniyle zorlu olan uzun uçuş süreli transfer yörüngeleri gerektirebilir.

İleride, yazarlar ay yörünge aracını ve iniş yörüngelerini gözden geçiriyor. Galile uydularının etrafındaki yörüngelere gelince, alçak irtifa ve kutuplara yakın yörüngeler bilim yörüngeleri için uygun adaylardır, ancak Europa etrafındaki yüksek eğimli yörüngeler, Jüpiter’in üçüncü cisim kütleçekimsel etkisi nedeniyle, istikrarlı değildir ve Europa ile çarpışması kolay değildir.

Uzun ömürlü yörüngelerin nasıl tasarlanacağı, Jüpiter ve J’nin gelgit kuvveti dikkate alınarak farklı bilim adamları tarafından araştırılmaktadır.₂C₂₂J₃ ve J₄ Europa’nın tedirginlikleri. Ek olarak, Europa çevresinde düşük itme gücüne sahip yüksek eğimli ve dairesele yakın yapay donmuş yörüngeler araştırılmıştır. Ganymede ve Callisto için Milankovitch elementlerine dayalı olarak doğal donmuş yörüngelerin çözümleri de bulundu.

Düşük enerjili yörüngeleri kullanarak bir ayı gözlemlemek, alternatif bir yaklaşımdır; burada, Gezegen-ay üç cisim sisteminin L1 ve L2 noktaları etrafındaki kararsız periyodik yörüngeler arasındaki heteroklinik ve homoklinik bağlantı, gözlemler için görev yörüngeleri olarak önerilmiştir. Galile uydularında yörünge yakalamaya gelince, ilk konu hedef aya nasıl yaklaşılacağıdır.

Nihai düzlemsel ve uzamsal yaklaşım, rezonans yörüngelerine bağlıdır ve gerekli rezonanslar, Lyapunov’un değişmez manifoldları ve halo yörüngelerinin hesaplanması kullanılarak değerlendirilmiştir. Yakalama maliyetinin düşürülmesi, geçici yakalamanın bir seçenek olduğu ikinci önemli konudur. Galile uydularına inişe gelince, Galile aya iniş için tasarım yörüngeleri üzerine yalnızca birkaç çalışma yayınlandı.

Farklı teknik ve yöntemlerin karşılaştırılması hakkında kısa bir özet aşağıda verilmiştir:

(1) İki gövdeli teknikler, Jovian sistemindeki uçuş yörüngelerini tasarlamak için kullanışlıdır ve muhtemelen daha yüksek yakıt maliyetine yol açan çok gövdeli dinamikleri kullanamazken, üç gövdeli teknikler veya çok gövdeli teknikler daha fazla kullanılabilir. Jovian sisteminin doğal dinamikleri, ancak daha karmaşık ve zaman alıcı.

(2) Düşük itme teknikleri, çok daha yüksek özgül dürtü nedeniyle veya Jüpiter’in manyetik alanını kullanarak yakıt tasarrufu sağlayabilir. Bununla birlikte, düşük itmenin yörünge düzeltme yeteneği delta-V’den daha düşüktür ve bu da yeni navigasyon zorluklarına yol açar.

(3) Mevcut yörünge optimizasyon yöntemlerinin çoğu, tasarlanan yörüngelerin belirsizliklere dayanıklı olmadığı ve gelecekteki navigasyon analizinin gerekli olduğu deterministiktir. Bunun aksine, güçlü yörünge optimizasyonu belirsizlikleri hesaba katar ve elde edilen optimum kontrol sağlamdır.

Bununla birlikte, sağlam yörünge optimizasyonu, çok gövdeli dinamiklerdeki yörünge belirsizliklerinin yayılması ve geniş çözüm alanı nedeniyle zordur.

Mevcut araştırma ilerlemesine göre, gelecekte aşağıdaki yönlerde gelişme beklenmektedir: (1) mühendislik görev tasarımında çok gövdeli teknikler, (2) sağlam yörünge optimizasyon yöntemleri ve (3) yapay zeka teknikleri.