Разработка стратегий исследования систем внешних планет

Keldysh Institute of Applied Mathematics
Russian Academy of Sciences
Боровин Г.K.
Голубев Ю.Ф., Грушевский А.В., Корянов В.В.
Тучин А.Г., Тучин Д.А.
РАЗРАБОТКА СТРАТЕГИЙ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ
ВНЕШНИХ ПЛАНЕТ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МОДЕЛИ
СДВОЕННЫХ ОГРАНИЧЕННЫХ ЗАДАЧ ТРЁХ ТЕЛ
Тринадцатый Международный Междисциплинарный Семинар
LPpM3-XIII
Thirteenth International Interdisciplinary Seminar LPpM3-XIII
Montenegro, Petrovac
2015
Предистория освоения системы Юпитера
• 4 октября 1957 Первый искусственный спутник Земли СССР Спутник-1
• 2 января 1959
Первый пролёт около Луны СССР«Луна-1»
• 13 сентября 1959 Первый аппарат, достигший другого небесного тела
(Луна). СССР «Луна-2»
• 4 октября 1959
• 1961
•
•
•
•
Первое использование
гравитационного манёвра. СССР«Луна-3»
Первый неуправляемый пролёт близ Венеры на
расстоянии 100000 км. СССР «Венера-1»
1961
Первый пилотируемый космический полёт. СССР
14 декабря 1962 Первый контролируемый пролёт около Венеры на
расстоянии 33800 км. США «Маринер-2»
19 июня 1963
Первый неуправляемый пролёт около Марса на
расстоянии 197000 км. СССР «Марс-1»
14 июля 1965
Первый контролируемый пролёт около Марса. США
«Маринер-4»
•
•
•
•
•
3 февраля 1966
1 марта 1966
3 апреля 1966
15 декабря 1970
14 ноября 1971
Первая мягкая посадка на Луну СССР «Луна-9»
Первый аппарат, достигший Венеры. СССР
«Венера-3»
Первый искусственный спутник на орбите Луны. СССР«Луна-10»
Первая мягкая посадка на Венере СССР «Венера-7»
Первый искусственный спутник Марса
США«Маринер-9»
• 27 ноября 1971
• 2 декабря 1971
• 3 марта 1972
Первый аппарат на поверхности Марса СССР «Марс-2»
Первая мягкая посадка АМС на Марс СССР «Марс-3»
Первый аппарат, преодолевший притяжение Солнца США
«Пионер-10»
• 4 декабря 1973 Первый пролёт около Юпитера США «Пионер-10»
• 24 августа 1989 Первый пролёт вблизи Нептуна США «Вояджер-2»
• 18 октября 1989 Первый искусственный спутник Юпитера, запуск зонда в
`
атмосферу, сближение с крупными спутниками,
гравитационные маневры в системе Юпитера «Galileo»
•
14 января 2005
•
???
посадка на спутник Сатурна Титан «Гюйгенс-Кассини»
Первая посадка на спутник планеты Юпитер
Проектирование российской миссии
к Юпитеру
• Ганимед : под многокилометровым слоем льда
может существовать жидкий океан, где не
исключено существование жизни
• В планы Роскосмоса входит отправка к Ганимеду
двух исследовательских зондов — посадочного и
орбитального, которые совершат один
гравитационный манёвр у Венеры и два — у Земли
• В 2029 году КА долетит до системы Юпитера, а ещё
примерно через два года выйдет на орбиту вокруг
Ганимеда
“JUICE” (JUpiter ICy moon Explorer)
• Европейское космическое агентство (ESA) одобрило проект
миссии “JUICE” по исследованию системы Юпитера,
российские и европейские ученые обсуждают возможное
взаимодействие в рамках проектов «Лаплас-П» и “JUICE”
• Миссия JUICE станет частью европейской программы
«Cosmic Vision», рассчитанной на 2015-2025 годы
• Программный комитет ESA отдал предпочтение проекту JUICE
(JUpiter ICy moon Explorer) стоимостью около 1 миллиарда
евро перед двумя другими проектами - обсерваторией для
поиска гравитационных волн NGO (New Gravitational Wave
Observatory) и рентгеновским телескопом ATHENA (Advanced
Telescope for High-Energy Astrophysics).
• Планируется, что европейский аппарат стартует в 2022 году и
достигнет системы Юпитера в 2032 году.
Баллистический сценарий “JUICE”
ESA-“JUICE” Jovian Mission
Design
 Interplanetary
part VEEGA
 Ganymede Flyby
 JOI
 G&C&E - Flyby
Sequence
 GOI
Roskosmos scenario type
Interplanetary part VEEGA
JOI-first of all + Ganymede Landing
(Flexible JOI Data)
 Flexible G&C-Flyby Sequence
 GOI
 Ganymede Circular Orbit (GCO)
 Ganymede Landing
Основные требования и
ограничения
 Минимум Delta V
По возможности
квазибаллистические
сценарии с
использованием
гравитационных
манёвров
 Ограничения на TID
 Общая длительность миссии
 Минимум
асимптотической скорости
относительно Ганимеда
«Семья» Юпитера
"Медичейские звезды Галилея”
по Симону Майру (1573−1624)
«Ближние луны» J1 и J2
Ио Радиус, км
Гравитационный
параметр, км3/с2
Полуось орбиты,
км/рад. Юпитера
Орбитальная
скорость, км/с
Европа Радиус,
км
Гравитационный
параметр, км3/с2
Полуось орбиты,
км/рад. Юпитера
Орбитальный
период, сутки
1821.6
5960
421.6 103 /5.91
17.3
1560.8
3202.7
670.9
103 /9.4
3.55
Орбитальный
период, сутки
1.8
Эксцентриситет
0.0041
Наклонение в
эклиптической СК
Радиус сферы
действия, тыс. км
2.21
17.6
Орбитальная
скорость, км/с
13.74
Эксцентриситет
0.0101
Наклонение в
эклиптической СК
Радиус сферы
действия, тыс. км
0.47
22.7
Галилеевы луны J3 и J4
Ганимед
Радиус, км
Гравитационный
параметр, км3/с2
Полуось орбиты,
км/рад. Юпитера
Орбитальный
период, сутки
Каллисто
Радиус, км
Гравитационный
параметр, км3/с2
Полуось орбиты,
км/рад. Юпитера
Орбитальный
период, сутки
2631.2
9887.8
1070.4 103 /14.97
7.155
2410.3
7179.3
1882.7 103 /26.33
16.69
Орбитальная
скорость, км/с
10.88
Эксцентриситет
0.0015
Наклонение в
эклиптической СК
Радиус сферы
действия, тыс. км
0.195
52.6
Орбитальная
скорость, км/с
8.2
Эксцентриситет
0.007
Наклонение в
эклиптической СК
Радиус сферы
действия, тыс. км
0.28
82.9
I.
Радиационная опасность
в системе Юпитера
f e, 1/(cм2c)
Потоки электронов и дозы радиации в магнитосфере
9
Юпитера
10
10
8
> 0.5 MэB
10
7
>2
>5
106
10
5
10
4
3
Дoзa, paд/cyтки
10
106
10
5
10
4
10
3
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
20
22
24
26
28
30
32
34
L, RJ
1 г/cм
2
2.2
5
102
101
10
0
2
4
Amalthea
6
Io
8
10
Europa
12
14
16
18
L, RJ
Ganymede
Callisto
Typical radiation hazard analysis on the
Phase 1
Типовое накопление дозы радиации на первом
этапе
Phase 1
Динамика накопления дозы радиации на одном
витке. Квазисингулярность
TID
Важнейший фактор при баллистическом
проектировании в системе Юпитера:
Квазисингулярность приращения TID
(Total Ionizing Doze-доза накопленной радиации)
II. Геометрия гравитационного
манёвра (GAM)

2v 
V  V  2v sin 
2   rp v2
Максимально возможные вариации скорости КА при
пролете крупных небесных тел Солнечной системы
Российский сценарий «Лаплас-П»:
типовая цепочка резонансных гравманевров
Moon
Orbital period of SC after Number of
the satellite flyby rated to rounds after a
satellite’s orbital period
flyby
Ганимед
Ганимед
Ганимед
Ганимед
Ганимед
Ганимед
6
5
4
3
2.5
2
1
2
1
1
2
1
Адаптированы и активно используются:
-ESTK complex БЦ ИПМ им. М.В. Келдыша РАН
-Эфемериды системы Юпитера JPL NASA в
формате Navigation and Ancillary Information
Facility (NAIF)- FEM модель DE 430
-Refined Flyby Model
Прилет в систему Юпитера после межпланетного
участка
 Time of Jovian sphere of influence
2029/06/03 09:25:10 UTC
 Flyby hyperbola ( J2000)
 Semimajor axe, km 5252.572592
 Eccentricity 1.163115
 Inclination 23.44 grad
 V-Infinity, km/s 4.91
 Pericenter Time 2029/08/29 17:20:35 UTC
 Pericenter altitude 12.5 RJ
Квазирезонансная часть цепочки гравитационных
маневров с использованием точных эфемерид
1 GAM (near Ganymede)
Callisto
Europa
IO
Ganymede
Time of minimal distance reaching
Minimal distance
Height of pericenter of flyby hyperbola
Asymptotic velocity
Change of velocity relatively to Jupiter
Period after flyby of GANYMEDE
Distance in pericenter rated to Jupiter’s radius
Eccentricity after flyby
Velocity in pericenter after flyby
Velocity in apocenter after flyby
2030/04/25 12:55:52
18.119618 1000 km
15.485618 1000 km
6.794698
-0.040897
42.915096 days
11.503787
0.767555
16.511564
2.171381
Vx=0.000755, Vy= 0.005958, Vz=0.003207, |V|=0.006808
2 GAM
Time of minimal distance reaching
Minimal distance
Height of pericenter of flyby hyperbola
Asymptotic velocity
Change of velocity relatively to Jupiter
Period after flyby of GANYMEDE
Distance in pericenter rated to Jupiter’s radius
Eccentricity after flyby
Velocity in pericenter after flyby
Velocity in apocenter after flyby
2030/06/07 11:18:06
13.702676 1000 km
11.068676 1000 km
6.761808
-0.046064
35.762581 days
11.268810
0.742874
16.565945
2.443969
Vx-0.004218, Vy=0.002570, Vz=0.001342, |V|=0.005118
3 GAM
Time of minimal distance reaching
Minimal distance
Height of pericenter of flyby hyperbola
Asymptotic velocity
Change of velocity relatively to Jupiter
Period after flyby of GANYMEDE
Distance in pericenter rated to Jupiter’s radius
Eccentricity after flyby
Velocity in pericenter after flyby
Velocity in apocenter after flyby
2030/08/18 00:23:08
9.464318 1000 km
6.830318 1000 km
6.747614
-0.057707
28.610065 days
10.908290
0.711178
16.683664
2.815964
Vx=-0.014865, Vy=0.012230, Vz=0.004934, |V|=0.019872
4 GAM
Time of minimal distance reaching
Minimal distance
Height of pericenter of flyby hyperbola
Asymptotic velocity
Change of velocity relatively to Jupiter
Period after flyby of GANYMEDE
Distance in pericenter rated to Jupiter’s radius
Eccentricity after flyby
Velocity in pericenter after flyby
Velocity in apocenter after flyby
2030/09/15 15:30:37
6.338138 1000 km
3.704138 1000 km
6.724214
-0.078352
21.457549 days
10.356952
0.667801
16.903565
3.366919
Vx=-0.003701, Vy=0.003109, Vz=0.001477, |V|=0.005055
5 GAM
Time of minimal distance reaching
Minimal distance
Height of pericenter of flyby hyperbola
Asymptotic velocity
Change of velocity relatively to Jupiter
Period after flyby of GANYMEDE
Distance in pericenter rated to Jupiter’s radius
Eccentricity after flyby
Velocity in pericenter after flyby
Velocity in apocenter after flyby
2030/10/07 02:25:05
8.641858 1000 km
6.007858 1000 km
6.746652
-0.068217
17.881290 days
9.929413
0.640352
17.120993
3.753786
Vx=-0.001707, Vy=0.005016, Vz=0.002694, |V|=0.005944
6 GAM
Time of minimal distance reaching
Minimal distance
Height of pericenter of flyby hyperbola
Asymptotic velocity
Change of velocity relatively to Jupiter
Period after flyby of GANYMEDE
Distance in pericenter rated to Jupiter’s radius
Eccentricity after flyby
Velocity in pericenter after flyby
Velocity in apocenter after flyby
2030/11/12 04:29:38
6.051283 1000 km
3.417283 1000 km
6.727114
-0.095345
14.305032 days
9.273662
0.610227
17.552545
4.248788
Vx=-0.006027, Vy=0.003142, Vz=-0.000433, |V|=0.006811
 Высота перицентра орбиты КА
падает
 Не можем понизить асимптотическую
скорость КА относительно Ганимеда
III. Проблема уменьшения
асимптотической скорости
V-infinity
Ti-Criterion (Критерий Тиссерана)
Ограниченная задача трех тел
Restricted 3 Body Problem R3BP
Jacobi Integral J Tisserands Parameter T
(see S.Campagnola, R.Russell 2009)
1
2
J   2 a(1  e ) cos i  T
a
J  T  3(1   )  v2  3  v2
“Изоинфина”
(баллистический детерминизм R3BP )
Диаграмма Тиссерана
TP-graphs strategy
(axes Ra-Rp in RJ)
Селекция пучков траекторий
• Необходим критерий отбора большого
числа прохождений небесных тел для
поиска понижающих асимптотическую
скорость
• Часть кода: “G” ^ “C”
• Полный коьюнкционный код:
“Ganymede” + ”Not Ganymede” + ”Ganymede”
“G” ^ ”C” ^ …^ ”C” ^ ”G”
Using TRAJECTORY BEAM method of
Gravity Assists Sequences Determination
Отражения и переотражения
(“quasi-gravitational billiards”),
Ra-Rp axes
Реальный потоковый поиск (“Пучки”)
(оси Ra-Rp в радиусах Юпитера RJ)
ОтраженияG^C-десятки Отраженияпереотражения G^C^G
миллионов вариантов
тысячи вариантов
ESA’s JUICE Tisserand-Poincare graph
Тур-”комфорт” по полученной
дозе радиации TID
IY. Би-Тиссерановы
координаты
Bi-Tisserand graph
Определение момента перескока на
другую R3BP
a
asc
Tg 
2
(1  e2 ) cos i
asc
a
ac
asc
Tc 
2
(1  e 2 ) cos i
asc
ac
Advanced Tg-Tc Bi-Tisserand-graph
Расширенный Bi-Tisserand-граф
Advanced Tg-Tc Bi-Tisserand-graph
Advanced Tg-Tc Bi-Tisserand-graph
Advanced Tg-Tc BI-Tisserand-graph
TID-комфортабельный тур
TID-комфортабельный тур
Fly-by sequence selection strategy
Extended-Euler-Lambert problem solution
The “Lagrange” trajectoty-beams method
Delta V minimization
Gravity-assist parameters permanent
corrections
 High-altitude gravity assists
 Slow-ballistic “Belbruno” capture
 Simulations of several Millions modes
(results are presented)




V. Realization
Part II of radiation-comfortable tour
Resume: Callisto & Ganymede
Tour design problem
lends itself well to
optimization schemes
Публикации по теме
Боровин Г.К., Голубев Ю.Ф., Грушевский А.В., Корянов В.В., Тучин А.Г.
ПОЛЁТЫ В СИСТЕМЕ ЮПИТЕРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРАВИТАЦИОННЫХ
МАНЁВРОВ ОКОЛО ГАЛИЛЕЕВЫХ СПУТНИКОВ // Москва, 2013
Препринт ИПМ им. М.В.Келдыша № 72.
Голубев Ю.Ф., Грушевский А.В., Корянов В.В., Тучин А.Г.
СИНТЕЗ СЦЕНАРИЕВ КОСМИЧЕСКИХ МИССИЙ В СИСТЕМЕ
ЮПИТЕРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРАВИТАЦИОННЫХ МАНЕВРОВ
Доклады Академии наук, 2014, том 456, №1
*
Голубев Ю.Ф., Грушевский А.В., Корянов В.В., Тучин А.Г., Тучин Д.А.
ТОЧКИ БИФУРКАЦИИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ
ГРАВИТАЦИОННЫХ МАНЕВРОВ В СИСТЕМЕ ЮПИТЕРА
Доклады Академии наук, 2015, том 462, №2
Grushevskii A.V., Golubev Yu.F., Koryanov V.V., Tuchin A.G.
TO THE ADAPTIVE MULTIBODY GRAVITY ASSIST TOURS DESIGN IN JOVIAN SYSTEM
FOR THE GANYMEDE LANDING
// 24th International Symposium on Space Flight Dynamics (ISSFD), Laurel, Maryland, Johns
Hopkins University Applied Physics Laboratory (JHU APL), May 5-9, 2014.
Grushevskii A.V., Golubev Yu.F., Koryanov V.V., Tuchin A.G.
ADAPTIVE LOW RADIATION MULTIBODY GRAVITY ASSIST TOURS DESIGN IN
JOVIAN SYSTEM FOR THE LANDING ON JOVIAN'S MOONS.
Proc. 65th International Astronautical Congress (IAC 2014), Toronto, Canada.
Приложение:
Интеграл Якоби в R3BP
Параметр Тиссерана