木星卫星

木星系多目标探测轨道设计研究

张磊;田百义;周文艳;田岱;朱安文

【摘要】Inthispaper,theprimarytargetsandengineeringconstraintsofa

Joviansystemmulti-targetexplorationtourphainafutureJoviansystem

andidate

trajectorydesignschemesfortheJoviansystemtourarepropodto

realizethedetectionofJupiter'spolarregions,surfacefinestructureand

improvedcollaborativeevolutionaryalgorithm

combiningparticleswarmoptimizationanddif-ferentialevolutionary

a

totalvelocityincrementsofthethreetransferschemesare3.47km/s,2.95

km/sand2.48km/s,sttransferschememeetingall

threeexplorationtargets,thecondhavinglowertotaldoof

radiation,andthethirdenablingmultiplefly-bydetectionofJupiter'spolar

eecandidatetrajectorydesign

schemescanprovidevaluablereferenceforChina'sfirstJoviansystem

explorationmission.%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.

【期刊名称】《航天器工程》

【年(卷),期】2018(027)001

【总页数】6页(P31-36)

【关键词】木星系探测;转移轨道;伽利略卫星;引力辅助

【作者】张磊;田百义;周文艳;田岱;朱安文

【作者单位】北京空间飞行器总体设计部,北京100094;北京空间飞行器总体设计

部,北京100094;北京空间飞行器总体设计部,北京100094;北京空间飞行器总体设

计部,北京100094;北京空间飞行器总体设计部,北京100094

【正文语种】中文

【中图分类】V476.4

木星系统作为太阳系内最大的行星系统，是深空探测的重要目标之一。通过对木星

及其卫星系统的近距离探测，对于了解气态巨行星的起源和演化以及太阳系的发展

具有重要意义。

国际上对木星系统的探测研究始于20世纪70年代，迄今为止，美国和欧洲针对

木星系共进行了9次探测。早期以飞越探测为主，如先驱者10号、11号以及卡

西尼-惠更斯号等[1]。后期逐渐转为环绕式探测，如1989年发射的伽利略号和

2011年最新发射的朱诺号。作为首颗木星系环绕探测器，伽利略号对木星大气进

行了原位测量，并对木星的4颗伽利略卫星(即木卫一、木卫二、木卫三、木卫四)

进行了多次飞越观测[2]，而朱诺号则在木星椭圆极轨道对木星深层大气、重力场、

磁场以及磁球层等进行了全面观测[3]。除上述任务外，国外后续还规划了2次木

星系探测计划，分别是欧洲的“木星冰卫探测”(JUICE)计划和美国的“快帆”计

划，其中JUICE计划将重点针对木卫三进行环绕探测[4]，“快帆”计划将重点针

对木卫二进行多次飞越探测[5]。

作为我国2030年前深空探测的总体科学目标之一，统筹开展木星系探测将为完善

我国深空探测科学研究体系，推动我国天文学等学科的发展和空间科技的进步发挥

重要作用。木星系探测漫长的任务周期和较高的经费需求决定了顶层任务规划的重

要性。我国首次开展木星系探测活动，要统筹科学需求与经济发展水平，高起点地

开展深空探测活动，充分利用后发优势，争取一次任务完成木星及其卫星的多目标

探测。考虑到木星系恶劣的空间辐射环境及探测器所携带的有限燃料等方面的限制，

需对整个任务飞行策略进行研究及综合优化设计，寻找符合工程约束且总速度增量

最优的任务轨道，实现科学探测价值的最大化。

根据上述需求，瞄准未来我国首个木星系及行星际穿越探测任务，本文结合木星系

环绕探测任务目标、辐射环境、燃料消耗等方面约束，重点完成木星系多目标探测

任务规划及转移轨道优化设计，为未来我国首次木星系环绕探测任务的工程实施提

供有价值的参考。

1任务目标分析

表1总结了目前国际上已发射和计划中的木星系环绕探测任务[6-7]。从表中结果

可以看出，除朱诺任务外，国外已开展和规划中的木星系环绕探测任务均采用了低

倾角大椭圆环木轨道，以实现对木星伽利略卫星的多次飞越，丰富探测科学目标。

朱诺任务采用的环木极轨道虽然没有飞越木星的伽利略卫星，但能够实现对木星极

区的多次飞掠探测。此外，JUICE任务除飞越木卫二、木卫三和木卫四之外，最终

还计划实现对木卫三的环绕探测；而“快帆”任务则计划通过对木卫二的45次飞

越，以达到对木卫二全方位探测的效果。

表1国外木星系环绕探测任务概况Table1OverviewofJoviansystem

explorationmissions任务发射年份环木圈数近木点高度环木倾角/(°)木卫一飞越

木卫二飞越木卫三飞越木卫四飞越木卫环绕伽利略198912+4RJ07次11次8次

8次朱诺201133+4500km90JUICE预计202010+11.6RJ291次2次6次木卫三

“快帆”预计202145+9.1RJ2045次5次9次

注：RJ表示木星半径，RJ=71492.00km。

根据国际上已有木星系环绕探测任务方案的特点，从任务方案科学性及探测方案先

进性角度出发，未来我国木星系环绕探测任务除实现我国首次木星多圈环绕探测之

外，可优先考虑实现如下几点探测目标：

(1)对木星极区的探测，增加对木星高能电子、木星磁场的起源和演化、木星极光

形成等的科学认识；

(2)实现尽可能低的飞行高度，提升对木星表面结构、大气成分等方面的探测精度；

(3)实现对木卫四的环绕探测以及对其他伽利略卫星的飞越探测。由于木卫四处于

比其他3颗伽利略卫星更弱的辐射环境，其地质后期演化也是最弱的，保存了更

古老的地质信息，因此选取木卫四作为木星卫星系统探测的首选目标，而对木星其

他伽利略卫星，尽可能实现多次飞越探测。

综合分析上述木星系探测任务目标，前两项目标要求环木轨道为大倾角、大偏心率

的短周期轨道，而第3个目标则要求环木轨道倾角及偏心率不能过大。此外，为

完成木卫四环绕探测目标，探测器在木星系内转移过程中需要利用木星伽利略卫星

的多次飞越借力，以节省变轨燃料消耗。同时整个飞行过程还要考虑空间辐射环境、

任务安全性、工程实现能力等方面的约束。因此，整个木星系内环绕探测任务轨道

方案设计将极为复杂，需解决多目标约束下的飞行序列规划及转移轨道优化设计。

2木星系内飞行方案选择

根据对2029-2033年间地木转移发射窗口及金星、地球、火星借力效果的分析，

综合考虑探测器出发日期、运载发射能力、木星到达剩余速度、深空机动大小等约

束，得到金星-地球-地球(VEE)借力序列在所考虑发射窗口下比金星-地球、金星-

金星-地球等序列借力效果更佳。因此，本文以2029年9月25日发射窗口下探

测器经金星-地球-地球3次飞越借力后到达木星的最优转移轨道为初值(见表2)，

开展木星系内飞行方案优化设计与分析。

表2地木转移段轨道设计结果Table2ResultsofEarth-Jupitertransfer

trajectory地木转移借力飞行序列VEE地球发射日期2029-09-25发射剩余速度

的平方(C3)/(km2/s2)14.18第1次借力借力天体金星借力日期2030-04-04借力

高度/km6011.35深空机动/(km/s)0.00第2次借力借力天体地球借力日期2031-

02-18借力高度/km5481.55深空机动/(km/s)0.00第3次借力借力天体地球借力

日期2033-05-26借力高度/km1385.59深空机动/(km/s)0.00到达木星日期

2035-12-23到达木星C3/(km2/s2)35.32地木转移时长/年6.25

根据第1节的分析，为实现对木星极区及木星表面结构的精细探测，要求环木轨

道为大倾角、大偏心率的短周期轨道，而要实现对木卫四的环绕，又要求环木轨道

倾角及偏心率不宜过大。此外，还要考虑空间辐射环境对轨道高度及轨道面方向的

附加约束。由于不同目标对应的轨道约束彼此之间存在一定对立关系，同时兼顾工

程实现上具有一定困难。因此需要在不同目标间进行折中或优选，如适当降低轨道

倾角以兼顾对木星极区及木卫四的环绕探测，增加近木点高度以减小探测器所受辐

射总剂量，或通过多次木卫四飞越代替环绕以保证对木星极区和表面结构的精细探

测。为此，结合我国首次木星系环绕探测任务目标及工程约束，本文提出3种木

星系内候选飞行方案。

(1)方案一：初始以较大轨道倾角和较低近木点高度完成木星捕获，并环绕木星飞

行，以实现对木星极区观测以及对木星表面结构的近距离探测，之后利用伽利略卫

星的引力辅助，转移至环绕木卫四轨道。

(2)方案二：初始以较小轨道倾角和较高近木点高度完成木星捕获，并环绕木星飞

行，以降低探测器在木星系内运行所受辐射剂量，之后探测器同样利用伽利略卫星

的引力辅助，转移至环绕木卫四轨道。

(3)方案三：初始以90°轨道倾角和较低近木点高度完成木星捕获，并环绕木星飞

行，以实现对木星极区的飞掠探测以及对木星表面结构的近距离探测，之后探测器

利用伽利略卫星的引力辅助，实现对木卫四的多次飞越探测。

3木星系内飞行方案优化设计

根据引力辅助轨道动力学模型[8]，利用改进的协作进化算法对木星系内引力辅助

转移轨道进行优化。这里采用的协作进化算法综合了粒子群算法与差分进化算法的

特点，通过共享二者种群最优解的方式进行协作寻优[9]。优化过程中，木星伽利

略卫星的位置、速度矢量调用JUP230星历模型计算[10]。下面给出3种方案具体

的优化设计结果。

3.1方案一

(1)木星捕获：最后一次地球借力之后，通过1次深空机动，使得探测器到达木星

时的近木点高度为4000km，轨道倾角37.9°。当探测器飞至近木点4000km处，

通过1～2次近木点点火制动，被木星捕获为30天周期的环木大椭圆轨道。探测

器深空机动与木星捕获所需速度增量为1.2367km/s。

(2)环木飞行：探测器在近木点4000km、周期30天的环木轨道上开展木星探测，

运行10圈，时间约300天。

(3)木卫四环绕探测：探测器完成对木星的观测之后，通过4次深空机动和2次木

卫四借力，由初始环木大椭圆轨道转移至近木星四表面高度300km、轨道周期

17.7h的环绕木卫四轨道。

表3和图1给出了探测器在木星系内轨道转移情况。

该方案变轨过程相对简单，且可同时实现对木星极区和木卫四的环绕探测。采用

20mm厚等效铝屏蔽层进行辐射防护，整个转移过程探测器所受总辐射剂量约为

76.1krad(Si)。

在该方案基础上，后续通过减小初始环木轨道周期可以增加探测器对木星的环绕探

测圈数，不过总速度增量和辐射剂量会相应增加，应根据实际任务需求进行优化设

计。

表3方案一木星系内转移轨道参数Table3Joviansystemtransfertrajectory

parametersofschemeone项目日期备注到达木星前深空机动(DSM0)2033-05-

26ΔVDSM0=0.4967km/s木星捕获2035-12-23木星捕获速度增量

ΔVJOI=0.7400km/s第1次深空机动(DSM1)2036-08-13近木点附近轨道机

动,ΔVDSM1=0.2500km/s第2次深空机动(DSM2)2036-11-06远木点附近轨道

机动,ΔVDSM2=1.0533km/s第1次木卫四借力(CGA1)2037-01-16借力高度

200km第3次深空机动(DSM3)2037-06-13ΔVDSM3=0.1613km/s第2次木卫

四借力(CGA2)2037-08-03借力高度200km第4次深空机动(DSM4)2037-08-

14ΔVDSM4=0.1909km/s木卫四环绕2038-02-18木卫四捕获速度增量

0.5794km/s近木卫四表面高度300km

图1方案一木星系内转移轨道Fig.1TransfertrajectoryinJoviansystemof

schemeone

3.2方案二

(1)木星捕获：与方案一类似，探测器在最后一次地球借力之后，通过1次深空机

动，使得探测器到达木星时的近木点高度为9.8RJ，轨道倾角2.1°。探测器到达近

木点9.8RJ处，通过1～2次近木点点火制动，被木星捕获为204天周期的环木轨

道。探测器深空机动与木星捕获所需速度增量为1.8068km/s。

(2)环木飞行及木卫四探测转移轨道：探测器被木星捕获后，通过2次木卫四借力

和3次深空机动，进入近心点高度300km、轨道周期17.7h的环绕木卫四轨道，

轨道转移过程中兼顾开展木星探测。通过优化设计，表4和图2给出了探测器转

移轨道情况。

表4方案2木星系内转移轨道参数Table4Joviansystemtransfertrajectory

parametersofschemetwo项目日期备注到达木星前深空机动(DSM0)2033-

05-26ΔVDSM0=0.4897km/s木星捕获2035-12-23木星捕获速度增量

ΔVJOI=1.3171km/s第1次深空机动(DSM1)2036-12-01远木点附近轨道机

动,ΔVDSM1=0.3563km/s第1次木卫四借力(CGA1)2037-03-24借力高度

207km第2次深空机动(DSM2)2037-04-24ΔVDSM2=0.0883km/s第2次木卫

四借力(CGA2)2037-10-09借力高度200km第3次深空机动(DSM3)2037-10-

23ΔVDSM3=0.1225km/s木卫四环绕2038-04-25木卫四捕获速度增量

0.5729km/s近木卫四表面高度300km,轨道周期17.7h

图2方案二木星系内转移轨道Fig.2TransfertrajectoryinJoviansystemof

schemetwo

该方案主要实现对木卫四的环绕探测，且由于近木点高度的提升，探测器所受总辐

射剂量比方案一更少，采用20mm厚等效铝屏蔽层进行防护，探测器所受总辐射

剂量约为0.8krad(Si)。不足之处是该方案环木轨道倾角较小，无法实现对木星极

区的探测。

3.3方案三

(1)木星捕获：在最后一次地球借力之后，通过一次深空机动，使得探测器到达木

星时的近木点高度为4000km，轨道倾角90°。当探测器到达近木点4000km处

时，通过1～2次近木点制动，被木星捕获为15天周期的环木轨道。探测器深空

机动与木星捕获所需速度增量为1.3328km/s。

(2)环木飞行：探测器在轨道倾角90°、近木点4000km、周期15天的环木轨道

上运行10圈开展木星探测，时间约150天。

(3)多次木卫飞越探测：探测器完成环木探测任务后离开，开展多次木卫飞越探测，

飞越顺序为：25次木卫四、次木卫三、次木卫二、次木卫一(木卫二、木卫一飞越

根据探测器寿命情况拓展)。通过优化，表5和图3给出了探测器飞行轨道情况。

表5方案3木星系内转移轨道参数Table5Joviansystemtransfertrajectory

parametersofschemethree项目日期备注到达木星前深空机动(DSM0)2033-

05-26ΔVDSM0=0.3206km/s木星捕获2035-12-23木星捕获速度增量

ΔVJOI=1.0122km/s第1次深空机动(DSM1)2036-10-23

ΔVDSM1=0.0242km/s25次木卫四飞越(CGA)2036-11-18—2038-02-12飞越

高度200～50000km第2次深空机动(DSM2)2038-02-16

ΔVDSM2=0.6392km/s3次木卫三飞越(GGA)2038-03-05—2038-04-17飞越

高度200～30239km第3次深空机动(DSM3)2038-04-26

ΔVDSM3=0.2694km/s3次木卫二飞越(EGA)2038-05-10—2038-06-29飞越高

度412～39012km第4次深空机动(DSM4)2038-07-13ΔVDSM4=0.2172km/s

3次木卫一飞越(IGA)2038-07-29—2038-09-23飞越高度200～36572km

该方案可以实现对木星极区的多圈环绕探测，虽然没有完成对木卫四的环绕，但仅

需消耗很小的速度增量，即可实现对木卫四的多次共振飞越探测(相邻两次共振飞

越间的轨道修正大约在0.1m/s量级，可以忽略不计)。采用20mm厚等效铝屏

蔽层进行防护，探测器在飞越木卫四、木卫三探测后所受总辐射剂量约为61.5

krad(Si)。如果进一步拓展对木卫二和木卫一的飞越探测，则总辐射剂量将增加至

132.8krad(Si)。

图3方案三木星系内转移轨道Fig.3TransfertrajectoryinJoviansystemof

schemethree

3.4方案对比分析

3种木星系内飞行方案及任务总速度增量对比见表6。由表可知：

(1)方案一可以同时满足对木星极区及木卫四的环绕探测要求，且近木点高度可以

达到4000km，能够实现对木星表面结构的精细探测。相比与JUICE任务，该方

案轨道倾角更大，对木星大气的探测范围更广，且近木点高度更低。根据环木轨道

周期选取的不同，有多种环木探测圈数可供选择(周期越短、环木圈数越多、总速

度增量越大)，是三种方案中的首选。

(2)方案二主要实现对木卫四的环绕探测，且由于探测器近木点高度的提高，总辐

射剂量在3种方案中最小，不足之处是无法实现对木星极区及木星表面结构的精

细探测。

(3)方案三可以同时达到朱诺任务和“快帆”任务的主要探测目标，既可以实现对

木星极区的短周期环绕探测，又能够完成对伽利略卫星的多次飞越探测，且近木点

高度也可以达到4000km，满足木星表面精细探测的要求。虽然该方案最终没有

实现对木卫四的环绕，但可以通过多次(25次以上)木卫四飞越探测代替。

表6三种轨道设计方案比较Table6Comparisonsofthethreecandidate

trajectoryschemes任务方案环木探测圈次近木点高度环木倾角/(°)木卫一飞越木

卫二飞越木卫三飞越木卫四飞越木卫四环绕总速度增量/(km/s)方案一

13+4000km37.92次是3.47方案二11+9.8RJ2.12次是2.95方案三

45+4000km90.03次3次3次25次否2.48

4结束语

本文针对未来我国将要开展的木星系及行星际穿越探测任务，给出了3种木星系

内多目标探测飞行方案。候选轨道设计方案均考虑了木星系辐射环境及工程实现等

方面的约束。对于方案一和方案二给出的木卫四环绕探测轨道，后续可进一步利用

木卫四共振飞越借力降低轨道周期，增加木卫四环绕探测圈数。此外，还可以利用

木星伽利略卫星的借力制动，降低木星捕获的燃料消耗。关于单次任务同时实现木

星近距离极轨环绕探测与木卫四环绕探测方案的可行性仍有待于进一步分析和优化。

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