國(guó)外木星系環(huán)繞飛行任務(wù)規(guī)劃研究

董捷 孟林智 趙洋 馬繼楠

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

國(guó)外木星系環(huán)繞飛行任務(wù)規(guī)劃研究

董捷 孟林智 趙洋 馬繼楠

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

調(diào)研了國(guó)外3項(xiàng)典型的木星系環(huán)繞任務(wù)（伽利略號(hào)、朱諾號(hào)和木星冰衛(wèi)星探測(cè)器（JUICE）），歸納總結(jié)了行星借力飛行、利用天體攝動(dòng)演化軌道、高精度導(dǎo)航、限制近木點(diǎn)高度以及利用飛越實(shí)現(xiàn)任務(wù)拓展等任務(wù)規(guī)劃方法。最后，提出了我國(guó)木星系環(huán)繞探測(cè)任務(wù)規(guī)劃的初步設(shè)想，即以木星和木衛(wèi)二為主要探測(cè)目標(biāo)，采用金星-地球-地球的地木轉(zhuǎn)移借力序列，以及基于木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四借力方式開展木星系探測(cè)任務(wù)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)飛掠、環(huán)繞和穿透多種方式的木星系探測(cè)任務(wù)。

木星系；借力飛行；飛行任務(wù)規(guī)劃；導(dǎo)航

1 引言

近些年，木星等巨行星探測(cè)已成為美國(guó)和歐洲深空探測(cè)的中長(zhǎng)期戰(zhàn)略目標(biāo)之一，其關(guān)注重點(diǎn)是通過巨行星的探測(cè)結(jié)果，系統(tǒng)研究太陽(yáng)系的起源和演化，以及行星的形成過程，尋找這些天體上可能存在的生命形態(tài)。根據(jù)目前探測(cè)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，木衛(wèi)二、木衛(wèi)三可能存在豐富的地下海洋［1］，具備了生命存在的重要基礎(chǔ)條件之一，因此成為木星系探測(cè)的研究熱點(diǎn)。其實(shí)，國(guó)外早在40年前就開展了木星系探測(cè)，但早期主要是開展木星系飛越探測(cè)：1973年12月先驅(qū)者10號(hào)最先與木星交會(huì)并飛越，發(fā)回了木星的近距離照片并提供了有關(guān)木星磁場(chǎng)性質(zhì)、大氣成分與動(dòng)力學(xué)的資料［1］；后續(xù)先驅(qū)者11號(hào)、旅行者1號(hào)和2號(hào)、尤里塞斯號(hào)太陽(yáng)探測(cè)器、卡西尼-惠更斯號(hào)土星探測(cè)器和新地平線（亦稱新視野）號(hào)冥王星探測(cè)器，都在飛行過程中順訪過木星，利用有效載荷開展可見光與紅外成像、粒子和磁場(chǎng)探測(cè)等活動(dòng)，但由于飛越探測(cè)的交會(huì)時(shí)間較短，探測(cè)成果有限。

首次實(shí)現(xiàn)木星環(huán)繞探測(cè)的是美國(guó)1989年發(fā)射的伽利略號(hào)探測(cè)器，在與木星交會(huì)前還釋放了大氣穿透器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)木星大氣環(huán)境的探測(cè)。在環(huán)繞木星期間，通過任務(wù)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了多次飛越其4顆最大的自然衛(wèi)星，包括木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四。為進(jìn)一步對(duì)木星的引力場(chǎng)、磁層、大氣環(huán)境、極光等開展深入探測(cè)，2011年美國(guó)又發(fā)射了朱諾號(hào)探測(cè)器，預(yù)計(jì)2016年到達(dá)木星開展極軌環(huán)繞探測(cè)。與此同時(shí)，歐洲航天局也在籌劃木星冰衛(wèi)星探測(cè)器（Jupiter Icy Moon Explorer，JUICE）任務(wù)，計(jì)劃2022年發(fā)射，將首次實(shí)現(xiàn)在一次任務(wù)中同時(shí)環(huán)繞探測(cè)木星和木衛(wèi)三。

木星系探測(cè)任務(wù)的距離遙遠(yuǎn)，任務(wù)周期長(zhǎng)，技術(shù)難度大，需要在有限的測(cè)控條件、能源、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延等約束條件下，合理高效地規(guī)劃多目標(biāo)、多任務(wù)的探測(cè)過程。本文首先分析了伽利略號(hào)、朱諾號(hào)和JUICE三個(gè)典型任務(wù)的飛行規(guī)劃，梳理了任務(wù)特點(diǎn)及啟示，根據(jù)木星系探測(cè)的任務(wù)特點(diǎn)，分別從軌道設(shè)計(jì)、導(dǎo)航方法設(shè)計(jì)等方面提出了我國(guó)未來木星系環(huán)繞探測(cè)任務(wù)的規(guī)劃設(shè)想。

2 木星系的概況

2.1 基本物理參數(shù)

作為太陽(yáng)系最大行星，木星是其他行星質(zhì)量總和的2.5倍，其距太陽(yáng)距離遠(yuǎn)，自轉(zhuǎn)周期短，與地球的主要參數(shù)對(duì)比見表1。木星及其主要衛(wèi)星的物理參數(shù)介紹見文獻(xiàn)［1-2］。

木星也是人類迄今為止發(fā)現(xiàn)的天然衛(wèi)星最多的行星，目前已發(fā)現(xiàn)67顆衛(wèi)星，其中最大的4顆衛(wèi)星分別為木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四。它們于1610年由伽利略首次發(fā)現(xiàn)，因此也稱為伽利略衛(wèi)星，其軌道和物理參數(shù)見表2［1-2］。木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三受引潮力影響（引潮力是以下兩種力的合力：衛(wèi)星上單位質(zhì)量物體受到的主天體引力和衛(wèi)星繞主天體-衛(wèi)星公共質(zhì)心旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的慣性離心力），其公轉(zhuǎn)關(guān)系為嚴(yán)格的1∶2∶4，這一現(xiàn)象稱為軌道共振。木衛(wèi)四與其它3顆衛(wèi)星的共振并不嚴(yán)格。4顆衛(wèi)星中，體積最大的是木衛(wèi)三，最小的是木衛(wèi)二。

表1 木星和地球的主要參數(shù)比較Table 1 Comparison of the key parameters of Jupiter and the Earth

表2 木星衛(wèi)星的軌道和物理參數(shù)Table 2 Orbital and physical parameters of the Galileo satellites of the Jupiter

2.2 輻射帶概況

木星具有強(qiáng)大的磁場(chǎng)，在太陽(yáng)風(fēng)作用下，形成了環(huán)繞木星的輻射帶結(jié)構(gòu)，其類似于地球的范·艾倫輻射帶。此外，由于木星磁場(chǎng)覆蓋范圍廣和快速的自轉(zhuǎn)角速度，使得從木衛(wèi)一釋放的等離子體也與木星一起以很快的速度共轉(zhuǎn)，形成一個(gè)環(huán)繞木衛(wèi)一軌道的冷等離子體環(huán)面。木星磁層及輻射帶結(jié)構(gòu)如圖1所示（左上角為地球磁層結(jié)構(gòu)，右下角可以看到木衛(wèi)一形成的等離子體環(huán)面）。

木星輻射帶高能質(zhì)子（＞100 Me V）通量很小，但低能質(zhì)子通量約是地球輻射帶的10倍；木星輻射帶低能電子通量與地球輻射帶基本相當(dāng)，但在高能端木星輻射帶電子通量要比地球輻射帶高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，尤其是木星輻射帶中還存在較多能量超過10 MeV的高能電子，這些都直接影響探測(cè)器的防護(hù)設(shè)計(jì)。

圖1 木星磁層和輻射帶示意圖Eig.1 Schematic diagram of Jupiter's magnetosphere and radiation belt

3 國(guó)外典型木星系探測(cè)器的飛行任務(wù)規(guī)劃

3.1 伽利略號(hào)的飛行任務(wù)規(guī)劃

伽利略（Galileo）號(hào)木星探測(cè)器的主要任務(wù)是對(duì)木星、4顆木星衛(wèi)星進(jìn)行探測(cè)。

探測(cè)器于1989年10月18日由阿特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射升空，地木轉(zhuǎn)移過程中經(jīng)過金星-地球-地球借力飛行后，于1995年12月進(jìn)入環(huán)繞木星的大橢圓軌道，成為首顆進(jìn)入木星軌道的探測(cè)器，并采用再入探測(cè)方式首次對(duì)木星大氣進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量。在地木轉(zhuǎn)移過程中，還分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)主帶小行星蓋斯普拉（Gaspra）和艾達(dá)（Ida）的飛越探測(cè)。

在近木制動(dòng)前首先進(jìn)行了木衛(wèi)一借力，使近木制動(dòng)速度增量減小了約100 m/s。由于4顆木星衛(wèi)星軌道周期短，伽利略號(hào)探測(cè)器環(huán)繞木星形成大橢圓軌道后，通過調(diào)整探測(cè)器軌道周期為木星衛(wèi)星周期的整數(shù)倍實(shí)現(xiàn)了與4顆木星衛(wèi)星多次交會(huì)，獲取了木星結(jié)構(gòu)、大氣、磁場(chǎng)、行星環(huán)以及木衛(wèi)表面形貌等較為全面的信息。任務(wù)期間共實(shí)現(xiàn)飛越木衛(wèi)一7次、木衛(wèi)二11次、木衛(wèi)三8次、木衛(wèi)四8次［3］。飛行全過程如圖2所示。

圖2 伽利略號(hào)探測(cè)木星系的飛行任務(wù)過程示意圖Eig.2 Schematic diagram of Galileo's flight to the Jovian system

為實(shí)現(xiàn)與木星衛(wèi)星交會(huì)，防止與木星衛(wèi)星相撞，在相鄰兩次木衛(wèi)飛越過程中，正常安排了3次軌道修正機(jī)動(dòng)，其中第3次修正利用了探測(cè)器下傳的目標(biāo)衛(wèi)星圖像進(jìn)行軌道確定，文獻(xiàn)［4］對(duì)這種導(dǎo)航方法進(jìn)行了研究（見圖3）。

該方法是通過地面系統(tǒng)綜合測(cè)距測(cè)速數(shù)據(jù)、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）測(cè)角信息以及下傳的目標(biāo)衛(wèi)星光學(xué)圖像，估計(jì)參考?xì)v元下探測(cè)器的軌道參數(shù)。通過引入天體的光學(xué)圖像使導(dǎo)航精度大為提高，由幾百千米提高到幾十千米［5］，保證了軌道安全，減小了修正速度增量，從而為后續(xù)擴(kuò)展任務(wù)提供了較為充足的推進(jìn)劑。伽利略號(hào)最初任務(wù)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)木星衛(wèi)星的11次飛越，實(shí)際在軌共實(shí)現(xiàn)了34次飛越。

圖3 伽利略號(hào)任務(wù)的地面導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖Eig.3 Schematic diagram of the ground navigation system for the Galileo spacecraft

根據(jù)以上分析，伽利略號(hào)探測(cè)器在飛行任務(wù)規(guī)劃中的特點(diǎn)如下：

（1）采用借力飛行技術(shù)，通過地木轉(zhuǎn)移過程多次天體借力，降低了對(duì)火箭運(yùn)載能力的需求；

（2）通過地木轉(zhuǎn)移的軌道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)主帶小行星的順訪飛越探測(cè)，擴(kuò)展了探測(cè)成果；

（3）在多次飛越木星衛(wèi)星前的軌道修正中，增加了地面下傳天體圖像進(jìn)行導(dǎo)航的方式，提高了定軌精度，降低了對(duì)推進(jìn)劑的需求。

3.2 朱諾號(hào)飛行任務(wù)規(guī)劃

朱諾（Juno）號(hào)探測(cè)器采用了兩次深空機(jī)動(dòng)和一次地球借力方式到達(dá)木星，飛行過程如圖4所示［6］。朱諾號(hào)于2011年發(fā)射，預(yù)計(jì)2016年到達(dá)木星后將通過制動(dòng)被木星捕獲，首先進(jìn)入軌道周期為78 d的環(huán)木極軌，近木點(diǎn)軌道高度為4500 km。下一次運(yùn)行到近木點(diǎn)時(shí)降低遠(yuǎn)木點(diǎn)高度，進(jìn)入軌道周期為11 d的環(huán)木星使命軌道，遠(yuǎn)木點(diǎn)半徑約39 RJ（RJ為木星半徑），探測(cè)重點(diǎn)是在近木點(diǎn)附近開展為期1年的科學(xué)探測(cè)。圖5為朱諾號(hào)任務(wù)期間的軌道變化及與木星輻射帶的關(guān)系［7］。序號(hào)1表示環(huán)繞后的第1軌，序號(hào)16為中間1軌，序號(hào)31為最后1軌，可見其近木點(diǎn)逐漸向北極漂移，但任務(wù)期間近木點(diǎn)始終處于木星內(nèi)部輻射相對(duì)較低的區(qū)域。

圖4 朱諾號(hào)地木轉(zhuǎn)移軌道Eig.4 Juno's interplanetary trajectory

圖5 朱諾號(hào)軌道與木星輻射帶Eig.5 Juno's trajectory and Jupiter's radiation belt

朱諾號(hào)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括：

（1）地木轉(zhuǎn)移過程中采用了1次地球借力和2次深空機(jī)動(dòng)的飛行方案（見圖4），雖然比伽利略號(hào)的飛行方案增加了推進(jìn)劑消耗，但可以實(shí)現(xiàn)提前約1年到達(dá)木星，便于盡早開展探測(cè)；

（2）朱諾號(hào)探測(cè)器利用木星輻射帶的分布特點(diǎn)，將初始近木點(diǎn)設(shè)置在木星赤道面附近，可極大地減少探測(cè)器的輻射劑量。受木星引力攝動(dòng)的影響，朱諾號(hào)的使命軌道拱線與赤道夾角每圈增加0.9°，逐漸遠(yuǎn)離赤道面，使探測(cè)器每圈軌道進(jìn)入輻射區(qū)的時(shí)間逐漸增加（見圖5）。為減少任務(wù)期間的總輻射量，朱諾號(hào)采用了由北向南的木星捕獲策略，相比于從南向北的捕獲方式，初始近木點(diǎn)可更接近木星赤道。

3.3 JUICE飛行任務(wù)規(guī)劃

JUICE是目前最復(fù)雜的木星系探測(cè)任務(wù)，文獻(xiàn)［8］對(duì)JUICE的方案設(shè)想進(jìn)行了介紹。探測(cè)器計(jì)劃2022年6月用阿里安-5火箭在庫(kù)魯發(fā)射場(chǎng)發(fā)射。地木轉(zhuǎn)移時(shí)間為7.6年，采用地球-金星-地球-地球借力序列。到達(dá)木星前，先采用木衛(wèi)三借力，然后實(shí)現(xiàn)2次木衛(wèi)二飛越，利用木衛(wèi)四借力實(shí)現(xiàn)軌道傾角變化，再經(jīng)過木衛(wèi)三和木衛(wèi)四的多次借力，降低進(jìn)入木衛(wèi)三速度后制動(dòng)進(jìn)入環(huán)繞木衛(wèi)三的大橢圓軌道，最后形成200 km高度的圓軌道開展高分辨率遙感探測(cè)。

整個(gè)飛行過程中，重要階段包括木星制動(dòng)、木衛(wèi)四飛越和木衛(wèi)三環(huán)繞。

1）木星制動(dòng)

接近木星時(shí)選取木衛(wèi)三借力飛行，減小了制動(dòng)速度增量約300 m/s，制動(dòng)后首先進(jìn)入13RJ/243RJ的軌道，該軌道與木衛(wèi)三形成25∶1的共振軌道（即探測(cè)器的軌道周期是木衛(wèi)三軌道周期的25倍，保證每個(gè)周期結(jié)束時(shí)仍可與木衛(wèi)三在相同的位置相遇）。

2）木衛(wèi)四飛越

通過木衛(wèi)四與木衛(wèi)三間的多次借力進(jìn)入木衛(wèi)四共振軌道。通過6次重復(fù)木衛(wèi)四借力使軌道傾角增加到29°，可以觀測(cè)到木星南北緯63°以上的木星極區(qū)，實(shí)現(xiàn)木星高緯度探測(cè)。到達(dá)最大傾角后，再采用相同的策略降低傾角至接近零。

3）木衛(wèi)三環(huán)繞

JUICE采用太陽(yáng)翼供電方式，由于木星附近的太陽(yáng)常數(shù)低，對(duì)光照和陰影的關(guān)系較為敏感，因此任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)在環(huán)繞木衛(wèi)三初期先進(jìn)入200 km/10 000 km極軌，后期形成低高度圓軌道。

整個(gè)任務(wù)期間，初始進(jìn)入環(huán)繞木衛(wèi)三軌道時(shí)β角（太陽(yáng)矢量與軌道面夾角）約25°，進(jìn)入500 km圓軌道時(shí)β角增大至60°，至200 km軌道末期達(dá)到86°。在保證光學(xué)載荷成像需求的條件下滿足探測(cè)器功率平衡。對(duì)初始形成的大橢圓軌道，木星系內(nèi)的攝動(dòng)較為明顯，會(huì)引起軌道高度和拱線的變化。通過選擇特定的近心點(diǎn)幅角后，形成了如下軌道變化規(guī)律：前30天內(nèi)軌道逐漸圓化，形成5000 km高度圓軌道，在該軌道上保持約90 d，隨后偏心率逐漸增加，直至軌道再恢復(fù)至200 km/10 000 km。這個(gè)階段軌道遠(yuǎn)心點(diǎn)處于木衛(wèi)三的光照期間，可以利用光學(xué)載荷開展長(zhǎng)時(shí)間成像觀測(cè)；而且由于近心點(diǎn)幅角不同，更有利于對(duì)木衛(wèi)三表面區(qū)域的成像覆蓋。整個(gè)過程如圖6所示。［8］

圖6 環(huán)繞木衛(wèi)三的軌道階段Eig.6 Phases of orbiting Ganymede

根據(jù)以上分析，JUICE飛行任務(wù)的特點(diǎn)如下：

（1）采用借力飛行技術(shù)，通過地木轉(zhuǎn)移過程多次天體借力加速，降低了對(duì)火箭運(yùn)載能力的需求；利用木星系內(nèi)木星衛(wèi)星開展多次飛越，實(shí)現(xiàn)飛越探測(cè)和借力減速。通過借力使任務(wù)過程所需的總速度增量大大降低，相比伽利略號(hào)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)木衛(wèi)三的環(huán)繞探測(cè)。此外，通過對(duì)木衛(wèi)四的多次借力，提高了相對(duì)木星和木衛(wèi)四的軌道傾角，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高緯度地區(qū)的觀測(cè)。

（2）近木制動(dòng)時(shí)直接選擇了距木星相對(duì)較遠(yuǎn)的木衛(wèi)三借力，并把木衛(wèi)三作為最終的環(huán)繞探測(cè)目標(biāo)。

（3）利用了木衛(wèi)三的引力攝動(dòng)特性，進(jìn)入木衛(wèi)三軌道后，通過經(jīng)歷200 km/10 000 km橢圓軌道→5000 km圓軌道→200 km/10 000 km橢圓軌道演化過程，減少了軌道維持所需速度增量，實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)時(shí)間對(duì)木衛(wèi)三表面中低分辨率的光學(xué)觀測(cè)，當(dāng)β角達(dá)到較為接近垂直軌道面時(shí)再降軌至200 km圓軌道，保證功率平衡。

3.4 任務(wù)特點(diǎn)及啟示

根據(jù)對(duì)國(guó)外木星系環(huán)繞探測(cè)任務(wù)飛行任務(wù)的分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：對(duì)于木星這類遠(yuǎn)距離、環(huán)境復(fù)雜的行星探測(cè)，受系統(tǒng)質(zhì)量等資源限制，任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)極大地受飛行軌道、導(dǎo)航能力的制約，必須加以創(chuàng)新才能有效地提高探測(cè)成果。

3.4.1 充分利用借力飛行技術(shù)

（1）利用借力飛行技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器的加速或減速。根據(jù)霍曼變軌，初步估算從地球直接轉(zhuǎn)移至木星的發(fā)射能量和到達(dá)能量，地球發(fā)射C3（C3為相對(duì)天體無(wú)窮遠(yuǎn)處速度的平方，反映了對(duì)運(yùn)載器發(fā)射能量的需求）約為77.3 km2/s2，到達(dá)木星的C3約為31.8 km2/s2。這對(duì)火箭的運(yùn)載能力要求很高，因此木星任務(wù)與火星、金星探測(cè)的一個(gè)顯著區(qū)別是通常需要使用行星借力方式來降低發(fā)射能量；此外，有木星衛(wèi)星環(huán)繞任務(wù)的探測(cè)器，對(duì)探測(cè)器自身速度增量需求也很大，要求地木轉(zhuǎn)移和木星系內(nèi)盡可能優(yōu)化速度增量。伽利略號(hào)在任務(wù)初期曾計(jì)劃采用大型火箭發(fā)射直接進(jìn)入地木轉(zhuǎn)移軌道，受運(yùn)載器研制進(jìn)度影響，轉(zhuǎn)而采用金星-地球-地球借力方式。文獻(xiàn)［9］對(duì)該借力方式進(jìn)行了詳細(xì)分析，通常2～3年就存在可行的發(fā)射窗口。到達(dá)木星后，通過大質(zhì)量木星衛(wèi)星（伽利略衛(wèi)星）的減速借力，減少近木制動(dòng)的速度增量。JUICE在地木轉(zhuǎn)移過程中除采用多次借力飛行，在環(huán)繞木星后繼續(xù)利用這些衛(wèi)星的共振軌道，最終以很少的速度增量代價(jià)實(shí)現(xiàn)環(huán)繞木衛(wèi)三。

（2）利用借力飛行調(diào)整軌道傾角。木星衛(wèi)星的軌道均集中在木星赤道平面內(nèi)，JUICE探測(cè)器為實(shí)現(xiàn)木星衛(wèi)星頻繁借力，初始進(jìn)入木星系時(shí)軌道平面接近木星赤道，但通過對(duì)木衛(wèi)四的多次借力抬高了軌道傾角，從而也實(shí)現(xiàn)了對(duì)木星高緯度極區(qū)的探測(cè)。

3.4.2 利用天體的攝動(dòng)特性優(yōu)化軌道控制策略

由于木衛(wèi)三處于木星系多天體環(huán)境中，受木星以及其它木星衛(wèi)星的影響，探測(cè)器環(huán)繞軌道會(huì)受到較強(qiáng)的攝動(dòng)影響。JUICE探測(cè)器巧妙利用了木衛(wèi)三的引力攝動(dòng)特性，減少了環(huán)繞軌道維持所需的速度增量，可以充分利用該軌道階段開展有效載荷科學(xué)探測(cè)。當(dāng)β角（太陽(yáng)矢量與軌道面的夾角）達(dá)到較為接近垂直軌道面時(shí)，再進(jìn)入低高度圓軌道開展高分辨率探測(cè)。如果初始直接進(jìn)入低高度環(huán)繞軌道，受β角變化影響，若要滿足功率平衡，無(wú)論在質(zhì)量資源還是系統(tǒng)設(shè)計(jì)上都面臨挑戰(zhàn)。

3.4.3 以高精度導(dǎo)航為任務(wù)的基礎(chǔ)

對(duì)于木星系這類遠(yuǎn)距離深空探測(cè)任務(wù)，由于地面測(cè)定軌精度已經(jīng)明顯降低，天地傳輸時(shí)延大大增加，必須通過探測(cè)器近距離對(duì)天體實(shí)際觀測(cè)來提高軌道確定精度，保證交會(huì)、借力等任務(wù)的完成。早期的伽利略任務(wù)是探測(cè)器提前下傳多幅原始圖像，由地面系統(tǒng)結(jié)合直接測(cè)軌數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道確定，導(dǎo)航計(jì)算交由地面完成，對(duì)改善軌道確定精度，準(zhǔn)確飛越目標(biāo)衛(wèi)星起到了重要作用。由于軌道高度越低對(duì)應(yīng)的借力飛越越有效，如果能夠?qū)崿F(xiàn)高精度導(dǎo)航，可以盡可能降低天體飛越高度，從而有效減少借力飛越次數(shù)和軌道修正次數(shù)，降低速度增量需求。并且接近天體時(shí)軌道高度降低，還利于光學(xué)相機(jī)、穿透雷達(dá)等有效載荷提高表面探測(cè)精度。

未來的發(fā)展方向是采用基于目標(biāo)天體成像和自主軌道外推的自主導(dǎo)航定位策略，從而解決上下行時(shí)間延遲、天體遮擋、日凌等條件對(duì)天地交互過程帶來的風(fēng)險(xiǎn)，減少地面測(cè)定軌較大誤差時(shí)存在的風(fēng)險(xiǎn)，保證軌道安全。

3.4.4 限制近木點(diǎn)高度的因素

木星系內(nèi)特有的輻射環(huán)境直接影響了探測(cè)器的工作壽命。除最靠近木星的低輻射區(qū)，探測(cè)器與木星距離越近，對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度越大，因此應(yīng)限制近木點(diǎn)高度，以降低探測(cè)器所受到的累積輻射影響。伽利略號(hào)在近木制動(dòng)前由于要對(duì)木衛(wèi)一借力，近木點(diǎn)高度較低。為減少長(zhǎng)期的輻射影響，在近木制動(dòng)后第一圈軌道遠(yuǎn)木點(diǎn)附近進(jìn)行了抬高近木點(diǎn)機(jī)動(dòng)。朱諾號(hào)由于需要近距離對(duì)木星觀測(cè)，轉(zhuǎn)而考慮采用更低的軌道高度，使近木點(diǎn)處于赤道附近輻射帶內(nèi)側(cè)的低輻射區(qū)；同時(shí)采用由北向南降軌近木制動(dòng)進(jìn)一步降低輻射影響。JUICE近木制動(dòng)時(shí)直接選擇了距木星相對(duì)較遠(yuǎn)的木衛(wèi)三借力，并把木衛(wèi)三作為最終的環(huán)繞探測(cè)目標(biāo)。木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三的輻射環(huán)境如圖7所示［10］，在采用8 mm鋁屏蔽防護(hù)的條件下，木衛(wèi)三附近輻射總累積速率約0.3 krad/d，遠(yuǎn)小于木衛(wèi)一和木衛(wèi)二（10～15 krad/d）。

圖7 采用8 mm鋁防護(hù)的輻射累積速率與木星距的關(guān)系Eig.7 Radiation dose rate of 8 mm Al shield with distance between probe and Jupiter in Jovian equatorial plane

3.4.5 利用飛越順訪以拓展任務(wù)成果

為在一次深空任務(wù)中擴(kuò)大探測(cè)成果，可以充分利用飛越天體的機(jī)會(huì)開展成像與環(huán)境探測(cè)。地木轉(zhuǎn)移過程中如采用金星借力，可以在金星飛越時(shí)開展觀測(cè)；向木星轉(zhuǎn)移時(shí)必然經(jīng)歷火星和木星之間的主帶小行星，因此通過優(yōu)化軌道設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)部分主帶小行星的飛越［11］，伽利略號(hào)在地木轉(zhuǎn)移過程中就成功飛越了兩個(gè)主帶小行星，開展了近距離成像。JUICE在木星系內(nèi)飛越木衛(wèi)二時(shí)，設(shè)計(jì)了在近心點(diǎn)進(jìn)行木衛(wèi)二表面的詳細(xì)觀測(cè)，包括光學(xué)成像和次表層雷達(dá)對(duì)水冰和地形的探測(cè)。在環(huán)繞木衛(wèi)三前，飛越木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四時(shí)盡可能開展順訪探測(cè)。

4 我國(guó)木星系任務(wù)規(guī)劃的初步設(shè)想

我國(guó)已經(jīng)提出在2030年前開展對(duì)木星系的環(huán)繞探測(cè)，借鑒前文介紹的國(guó)外木星系環(huán)繞探測(cè)任務(wù)規(guī)劃，對(duì)我國(guó)首次木星系環(huán)繞探測(cè)提出如下設(shè)想：

（1）根據(jù)對(duì)科學(xué)探測(cè)需求的分析，木星系探測(cè)的主要目標(biāo)為開展木星和木衛(wèi)二的環(huán)繞探測(cè)，以及其它借力天體的飛越探測(cè)。

（2）通過探測(cè)木星大氣、磁場(chǎng)、等離子體與高能粒子分布，獲取木星表面高分辨率和高光譜圖像信息，研究木星系統(tǒng)的起源與演化。

（3）探測(cè)木衛(wèi)二形貌、表面成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)、大氣成分、空間粒子分布等，研究木衛(wèi)二的形成和演化；探測(cè)木衛(wèi)二的冰層、液態(tài)海洋等可能的生命信息，探索其存在生命的可能性。

任務(wù)飛行過程初步規(guī)劃如下：

1）地木轉(zhuǎn)移

根據(jù)對(duì)借力飛行發(fā)射窗口的分析，2030年前后滿足1次金星加2次地球借力的發(fā)射窗口在2028年3月，2029年11月和2031年4月［9］。根據(jù)深空探測(cè)規(guī)劃和我國(guó)的技術(shù)基礎(chǔ)，可抓住這些窗口時(shí)機(jī)開展一次木星環(huán)繞探測(cè)任務(wù)。至2028年，在發(fā)射C3不大于18 km2/s2的條件下，可采用長(zhǎng)征-5火箭發(fā)射探測(cè)器首先進(jìn)入地-金轉(zhuǎn)移軌道，運(yùn)載能力約5000 kg?？紤]干質(zhì)量設(shè)計(jì)能力，探測(cè)器全任務(wù)期間能夠提供約3.4 km/s的總速度增量。地木轉(zhuǎn)移過程中盡可能飛越部分主帶小行星。

2）木星系內(nèi)飛越

為減少近木制動(dòng)速度增量，借鑒JUICE的制動(dòng)方案，到達(dá)近木點(diǎn)前首先近距離飛越木衛(wèi)三，然后開始近木制動(dòng)進(jìn)入大橢圓環(huán)木軌道。一方面規(guī)避近距離借力的輻射影響，另一方面提高借力減速的效果，并借機(jī)開展木衛(wèi)三觀測(cè)。由于木衛(wèi)二較木衛(wèi)三更靠近木星，因此借力方式與JUICE存在一定區(qū)別，初步分析后續(xù)直接轉(zhuǎn)移至木衛(wèi)二的借力序列可以采用多次木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四的借力到達(dá)木衛(wèi)二。借鑒JUICE的思路，擇機(jī)通過借力調(diào)整軌道傾角實(shí)現(xiàn)對(duì)木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四以及木星高緯度區(qū)域近距離觀測(cè)。

3）木衛(wèi)二環(huán)繞

經(jīng)過前面多次借力后，以較小速度增量減速進(jìn)入木衛(wèi)二環(huán)繞極軌，開展木衛(wèi)二的環(huán)繞探測(cè)，由大橢圓軌道逐漸過渡到低高度圓軌道。針對(duì)太陽(yáng)翼供電探測(cè)器，需要借鑒JUICE的設(shè)計(jì)，選擇合適時(shí)機(jī)進(jìn)入低高度圓軌道，并擇機(jī)釋放穿透器，開展短期木衛(wèi)二表面水冰探測(cè)，以拓展探測(cè)成果。

在整個(gè)任務(wù)期間的關(guān)鍵變軌前，下傳天體圖像由地面進(jìn)行軌道確定。出現(xiàn)日凌時(shí)采用軌道器自主導(dǎo)航提高定軌精度，保證軌道安全。整個(gè)飛行任務(wù)初步設(shè)想如圖8所示。

圖8 我國(guó)未來木星系環(huán)繞探測(cè)任務(wù)規(guī)劃設(shè)想Eig.8 Schematic diagram of future China's Jovian system orbiting mission planning

5 結(jié)束語(yǔ)

木星系探測(cè)是繼火星探測(cè)后深空探測(cè)的重要領(lǐng)域，不僅對(duì)太陽(yáng)系演化與地外生命探索等科學(xué)理論研究具有重要意義，而且可以極大地帶動(dòng)行星探測(cè)技術(shù)能力提升。根據(jù)國(guó)外已經(jīng)開展的伽利略號(hào)、朱諾號(hào)任務(wù)以及正在論證的JUICE木星系任務(wù)可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)木星系距離遠(yuǎn)、木星大質(zhì)量衛(wèi)星多、木星磁場(chǎng)及輻射環(huán)境強(qiáng)、引力場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，利用多天體借力等方式充分開展飛行任務(wù)規(guī)劃，可以降低對(duì)運(yùn)載火箭發(fā)射能量需求和探測(cè)器的設(shè)計(jì)難度，并拓展任務(wù)成果。未來我國(guó)的木星系探測(cè)任務(wù)也需要兼顧對(duì)木星和木星衛(wèi)星的探測(cè)，盡可能多地獲得巨行星系第一手探測(cè)數(shù)據(jù)。在飛行任務(wù)規(guī)劃上需要充分利用多天體借力、天體特殊引力環(huán)境演化軌道、高精度相對(duì)導(dǎo)航等手段，以較小的工程代價(jià)實(shí)現(xiàn)最終的短期木衛(wèi)二環(huán)繞以及穿透任務(wù)。這些設(shè)計(jì)思想可以為后續(xù)我國(guó)的木星系環(huán)繞探測(cè)任務(wù)提供參考和借鑒。

（

）

［1］肖龍.行星地質(zhì)學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2013 Xiao Long.Planetary geology［M］.Beijing：Geological Publishing House，2013（in Chinese）

［2］焦維新，鄒鴻.行星科學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2009 Jiao Weixin，Zou Hong.Planetary science［M］.Beijing：Peking University Press，2009（in Chinese）

［3］Michael Meltzer.Mission to Jupiter：A history of the Galileo project，NASA SP-2007-4231［R］.Washington D.C.：NASA，2007

［4］房建成，寧曉琳.深空探測(cè)器自主天文導(dǎo)航方法［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010：11-18 Eang Jiancheng，Ning Xiaolin.Autonomous celestial navigation methods for deep space explorers［M］.Xi' an：Northwestern Polytechnical University Press，2010：11-18（in Chinese）

［5］L J Miller，J K Miller，W E Kirhofer.Navigation of the Galileo mission［C］//21st Aerospace Sciences Meeting.Washington D.C.：AIAA，1983：1-19

［6］T Kowalkowski，J Johannesen，T Lam.Launch period development for the Juno mission to Jupiter［C］// AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit.Washington D.C.：AIAA，2008：1-13

［7］Steve Matousek.The Juno new frontiers mission［C］// 56thInternational Astronautical Congrass.Euduoka，Japan，the International Astronautical Eederation，2005

［8］The JUICE Scicence Study Team.JUICE exploring the emergence of habitable worlds around gas giants［R］.Assessment Study Report.Paris：ESA，2011

［9］Anastassios E Petropoulos，James M Longuski，Eugene P Bonfiglio.Trajectories to Jupiter via gravity assists from Venus，Earth and Mars［C］//AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit.Boston.Washington D.C.：AIAA，1998：116-126

［10］Alessandro Atzei，Arno Wielders，Anamarija Stankov，et al.Overview of the ESA Jovian technology reference studies SCI-AP/2004/TN-085/AA［R］.Netherlands：ESA，2007

［11］陳楊，寶音賀西，李俊峰.木星探測(cè)軌道分析與設(shè)計(jì)［J］.天文學(xué)報(bào)，2012，53（2）：106-118 Chen Yang，Baoyin Hexi，Li Junfeng.Jupiter exploration mission analysis and trajectory design［J］.Acta Astronomica Sinica，2012，53（2）：106-118（in Chinese）

（編輯：李多）

Demonstration of Foreign Jovian System Orbiting Mission Plan

DONG Jie MENG Linzhi ZHAO Yang MA Jinan
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

This paper investigates three typical Jovian system orbiting missions—Galileo，Juno and Jupiter Icy Moon Explorer（JUICE）.It summarizes the missions'planning method，including gravity assists of planet，trajectory evolution with celestial perturbation，high precision navigation，Jovian periapsis altitude control and mission extension with flybys.This paper finally proposes a primary mission conceive of China's Jovian system orbiting mission，i.e.to set the main target of exploring Jupiter and Europa，apply Venus-Earth-Earth gravity assist and plan the flight mission based on Ganymede，Europa and Callisto assist to explore the Jovian system in different ways of flyby，orbiting survey and planet's surface penetration.

Jovian system；gravity assist；mission planning；navigation

V476.4

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.014

2015-02-12；

2015-03-18

董捷，男，工程師，從事深空探測(cè)總體設(shè)計(jì)工作。Email：donghn13@163.com。