木星系科学探测研究与展望

为了更好地规划中国首次木星系科学探测任务,对国外历次木星系探测任务的发展状况进行了调研分析,包括7次飞越探测、2次环绕探测(伽利略号和朱诺号),归纳总结了木星系探测任务的科学目标、载荷配置及其探测成果情况,分析得到了木星系科学探测任务特点和启示。最后,在上述分析和待解决问题的基础上,提出了中国木星系科学探测任务的初步设想与发展展望。

木星系探测与JUICE任务概述

北京时间2023年4月14日,JUICE探测器的成功发射标志着木星系探测进入黄金时代,后续将重点针对冰卫星的宜居性进行全面探测。除了木星系探测共有的辐射环境恶劣、能源供给困难等技术难点,JUICE任务还有研制难度大、科学载荷多、任务周期长、轨道设计复杂等特点。本文对目前木星系探测发展形势及JUICE任务要点进行了梳理,总结了关键科学问题及技术挑战,对我国未来木星系探测具有借鉴意义。

木星系多目标探测轨道设计研究

针对木星系多目标探测任务,对木星及其卫星系统的探测目标及工程约束进行了梳理和分析,在此基础上提出了3种候选轨道设计方案,以实现对木星极区、木星表面精细结构以及木星伽利略卫星的探测。利用改进的协作进化算法对木星系内引力辅助转移轨道进行了设计与优化,最终得到3种轨道方案的总速度增量分别为3.47km/s、2.95km/s和2.48km/s,其中:方案一能够满足所有探测目标,方案二具有更低的辐射总剂量,方案三能够实现对木星极区及伽利略卫星的多次飞掠探测。上述3种候选轨道设计方案可为未来我国首次木星系探测任务的实施提供参考。

国外木星系环绕飞行任务规划研究

调研了国外3项典型的木星系环绕任务(伽利略号、朱诺号和木星冰卫星探测器(JUICE)),归纳总结了行星借力飞行、利用天体摄动演化轨道、高精度导航、限制近木点高度以及利用飞越实现任务拓展等任务规划方法。最后,提出了我国木星系环绕探测任务规划的初步设想,即以木星和木卫二为主要探测目标,采用金星-地球-地球的地木转移借力序列,以及基于木卫二、木卫三和木卫四借力方式开展木星系探测任务规划,实现飞掠、环绕和穿透多种方式的木星系探测任务。

木星系及行星际飞越探测的多次借力飞行轨道设计研究

根据我国木星系及行星际穿越探测任务规划,瞄准工程方案可行,对使用多次借力的地木转移轨道及行星飞越飞行轨道进行了深入研究分析。首先,对星际飞越目标进行了探讨,明确了满足任务约束的星际飞越目标;其次,对行星际飞行序列进行了优选,从探测器发射日期、发射双曲剩余速度的平方(C3)、深空机动、木星到达C3和总的任务时间角度,对比分析了多个星际飞行序列,给出了最优序列设计结果;最后,基于工程约束,对探测器的连续发射机会进行了优化设计,给出了探测器连续8天、11天和16天发射所需的发射C3和深空机动大小需求。研究结果表明:在2029—2032年期间,木星系及行星际穿越探测任务最优的深空飞行序列为地球-金星-地球-地球-木星-天王星,最优的发射日期集中在2029年10月份。

木星系环境特征与航天器防护设计研究

木星系探测是中国未来深空探测的重要方向之一,木星系环境极其复杂,对其进行研究是探测任务重要的科学目标。此外,木星系环境对探测器的影响更是制约任务设计的关键要素。从重力场、磁场、大气层/外逸层、电磁辐射、高能粒子、等离子体、微流星体等7个方面全面分析了木星系各环境要素的特征及研究现状。其中,木星空间等离子体和高能粒子通量远高于地球空间,其产生的多种辐射效应(如总剂量及内带电效应)是航天器设计中的防护重点。此外,重力场模型是轨道和推进分系统设计的重要依据,需构建冗余模型;木星的强磁场对探测器控制分系统中高灵敏电磁设备的设计提出较高要求;探测器所受电磁辐射的主要来源包括:太阳直接辐射、木星/卫星反照太阳辐射、木星红外辐射等。此外,木星卫星外逸层稀薄,但存在多种原子;微流星体来源包括行星际和木星系本身,应避免微流星体与航天器碰撞产生的表面性能退化或击穿风险。

国外木星探测任务进展与分析

为了更好地规划我国木星探测任务,文章对国外木星探测任务的发展状况进行了调研分析。对比分析了伽利略号、朱诺号、木星冰月探测者和欧罗巴快帆任务的探测目标,并对上述任务采用的运载火箭、探测轨道与通信系统进行了分析总结。指出未来木星探测任务所需运载火箭地球同步轨道转移能力应在10t以上,以对木卫展开全面覆盖探测,采用Ka频段作为下行数据载波。在上述分析的基础上,提出了我国木星探测的任务目标和初步规划的建议。