Gli scienziati esaminano la progettazione e l'ottimizzazione della traiettoria per l'esplorazione del sistema gioviano

18 agosto 2023

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a cura del Beijing Institute of Technology Press Co., Ltd

Il sistema gioviano attira da tempo l’interesse dell’esplorazione umana. Tuttavia, Giove e le sue quattro lune galileiane formano un ambiente dinamico multicorpo unico e complesso che sfida notevolmente la progettazione e l’ottimizzazione della traiettoria.

Inoltre, l’ambiente di radiazione estremamente forte di Giove e la scarsa disponibilità di carburante dei veicoli spaziali aumentano ulteriormente la difficoltà di progettazione della traiettoria. Al fine di soddisfare i requisiti delle diverse missioni di esplorazione del sistema gioviano, sviluppare nuovi concetti di missione e ottenere meriti più elevati a costi inferiori, negli ultimi due decenni sono state proposte o sviluppate una varietà di teorie e metodologie di progettazione e ottimizzazione delle traiettorie.

Manca una revisione completa di queste metodologie, il che è sfavorevole per l’ulteriore sviluppo di nuove tecniche di progettazione e la proposta di nuovi schemi di missione.

In un articolo di revisione recentemente pubblicato su Space: Science & Technology, studiosi dell'Università di Aeronautica e Astronautica di Nanchino e Rutgers, Università di Stato del New Jersey forniscono un riassunto sistematico del passato e delle metodologie all'avanguardia per quattro principali fasi di esplorazione, inclusa la cattura di Giove, il tour delle lune galileiane, la mappatura globale di Giove e l'orbita attorno e l'atterraggio su una luna bersaglio.

Innanzitutto, gli autori esaminano le tecniche, la progettazione e l'ottimizzazione delle traiettorie di cattura di Giove. Utilizzando la tecnica di cattura assistita da satellite, il Δv richiesto può essere ridotto in modo significativo. A seconda del numero delle lune galileiane coinvolte, le catture possono essere classificate come catture assistite da satellite singolo, doppio, triplo e quadruplo. Nel secolo scorso, la condizione di cattura assistita da un singolo satellite è stata derivata da Cline nel problema dei due corpi.

Per quanto riguarda la cattura assistita da satelliti multipli mediante sorvoli di due o più lune galileiane, vengono proposte le tecniche di analisi dell'angolo di fase basate sulla risonanza di Laplace e sulla quasi risonanza di Callisto e Ganimede per trovare immagini assistite da satelliti multipli e triple. le sequenze di cattura sono studiate da Lynam et al.

La cattura assistita da più satelliti è più complessa ma è in grado di ridurre ulteriormente il Δv richiesto rispetto alla cattura assistita da satellite singolo. Inoltre, il problema della cattura satellitare senza Δv è stato analizzato da Macdonald e McInnes. Sono state proposte anche altre tecniche per ridurre i costi. Un veicolo spaziale con un lungo cavo può generare una forza di Lorentz sufficientemente grande come propulsione per la cattura a causa del forte campo magnetico di Giove.

La propulsione elettrica solare (SEP) è un'opzione favorevole per le missioni di esplorazione di Giove a causa del suo impulso specifico molto più elevato rispetto alla tradizionale propulsione chimica. La tecnica degli arrivi dalle cime delle nuvole è un altro approccio per raggiungere in modo efficiente l'orbita di Giove. Inoltre, gli studi sulla progettazione e ottimizzazione della traiettoria per catturare un veicolo spaziale in un'orbita gioviana possono essere classificati in due casi.

Il primo caso si concentra solo sulle traiettorie nel sistema di Giove mentre il secondo caso integra i trasferimenti interplanetari eliocentrici con le catture assistite dai satelliti. Vengono sviluppati vari metodi di progettazione e ottimizzazione, tenendo in considerazione diverse dinamiche.

In secondo luogo, gli autori esaminano i tour delle lune galileiane. Il modello coniche patchate viene spesso utilizzato per analizzare e progettare in modo efficiente traiettorie di tour contenenti sorvoli di lune galileiane per la sua semplicità. Salti risonanti, rotazioni dei petali, sequenze COT (Crank-over-the-top), switch-flip e Cycler sono sequenze speciali di flyby nel tour delle lune galileiane.