國外木星系環繞飛行任務規劃研究

董捷 孟林智 趙洋 馬繼楠

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

國外木星系環繞飛行任務規劃研究

董捷 孟林智 趙洋 馬繼楠

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

調研了國外3項典型的木星系環繞任務（伽利略號、朱諾號和木星冰衛星探測器（JUICE）），歸納總結了行星借力飛行、利用天體攝動演化軌道、高精度導航、限制近木點高度以及利用飛越實現任務拓展等任務規劃方法。最后，提出了我國木星系環繞探測任務規劃的初步設想，即以木星和木衛二為主要探測目標，采用金星-地球-地球的地木轉移借力序列，以及基于木衛二、木衛三和木衛四借力方式開展木星系探測任務規劃，實現飛掠、環繞和穿透多種方式的木星系探測任務。

木星系；借力飛行；飛行任務規劃；導航

1 引言

近些年，木星等巨行星探測已成為美國和歐洲深空探測的中長期戰略目標之一，其關注重點是通過巨行星的探測結果，系統研究太陽系的起源和演化，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。根據目前探測的結果發現，木衛二、木衛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條件之一，因此成為木星系探測的研究熱點。其實，國外早在40年前就開展了木星系探測，但早期主要是開展木星系飛越探測：1973年12月先驅者10號最先與木星交會并飛越，發回了木星的近距離照片并提供了有關木星磁場性質、大氣成分與動力學的資料［1］；后續先驅者11號、旅行者1號和2號、尤里塞斯號太陽探測器、卡西尼-惠更斯號土星探測器和新地平線（亦稱新視野）號冥王星探測器，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、粒子和磁場探測等活動，但由于飛越探測的交會時間較短，探測成果有限。

首次實現木星環繞探測的是美國1989年發射的伽利略號探測器，在與木星交會前還釋放了大氣穿透器，實現了對木星大氣環境的探測。在環繞木星期間，通過任務規劃，實現了多次飛越其4顆最大的自然衛星，包括木衛一、木衛二、木衛三和木衛四。為進一步對木星的引力場、磁層、大氣環境、極光等開展深入探測，2011年美國又發射了朱諾號探測器，預計2016年到達木星開展極軌環繞探測。與此同時，歐洲航天局也在籌劃木星冰衛星探測器（Jupiter Icy Moon Explorer，JUICE）任務，計劃2022年發射，將首次實現在一次任務中同時環繞探測木星和木衛三。

木星系探測任務的距離遙遠，任務周期長，技術難度大，需要在有限的測控條件、能源、數據傳輸時延等約束條件下，合理高效地規劃多目標、多任務的探測過程。本文首先分析了伽利略號、朱諾號和JUICE三個典型任務的飛行規劃，梳理了任務特點及啟示，根據木星系探測的任務特點，分別從軌道設計、導航方法設計等方面提出了我國未來木星系環繞探測任務的規劃設想。

2 木星系的概況

2.1 基本物理參數

作為太陽系最大行星，木星是其他行星質量總和的2.5倍，其距太陽距離遠，自轉周期短，與地球的主要參數對比見表1。木星及其主要衛星的物理參數介紹見文獻［1-2］。

木星也是人類迄今為止發現的天然衛星最多的行星，目前已發現67顆衛星，其中最大的4顆衛星分別為木衛一、木衛二、木衛三和木衛四。它們于1610年由伽利略首次發現，因此也稱為伽利略衛星，其軌道和物理參數見表2［1-2］。木衛一、木衛二、木衛三受引潮力影響（引潮力是以下兩種力的合力：衛星上單位質量物體受到的主天體引力和衛星繞主天體-衛星公共質心旋轉時產生的慣性離心力），其公轉關系為嚴格的1∶2∶4，這一現象稱為軌道共振。木衛四與其它3顆衛星的共振并不嚴格。4顆衛星中，體積最大的是木衛三，最小的是木衛二。

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

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

2.2 輻射帶概況

木星具有強大的磁場，在太陽風作用下，形成了環繞木星的輻射帶結構，其類似于地球的范·艾倫輻射帶。此外，由于木星磁場覆蓋范圍廣和快速的自轉角速度，使得從木衛一釋放的等離子體也與木星一起以很快的速度共轉，形成一個環繞木衛一軌道的冷等離子體環面。木星磁層及輻射帶結構如圖1所示（左上角為地球磁層結構，右下角可以看到木衛一形成的等離子體環面）。

木星輻射帶高能質子（＞100 Me V）通量很小，但低能質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，但在高能端木星輻射帶電子通量要比地球輻射帶高2～3個數量級，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器的防護設計。

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 國外典型木星系探測器的飛行任務規劃

3.1 伽利略號的飛行任務規劃

伽利略（Galileo）號木星探測器的主要任務是對木星、4顆木星衛星進行探測。

探測器于1989年10月18日由阿特蘭蒂斯號航天飛機發射升空，地木轉移過程中經過金星-地球-地球借力飛行后，于1995年12月進入環繞木星的大橢圓軌道，成為首顆進入木星軌道的探測器，并采用再入探測方式首次對木星大氣進行了詳細測量。在地木轉移過程中，還分別實現了對主帶小行星蓋斯普拉（Gaspra）和艾達（Ida）的飛越探測。

在近木制動前首先進行了木衛一借力，使近木制動速度增量減小了約100 m/s。由于4顆木星衛星軌道周期短，伽利略號探測器環繞木星形成大橢圓軌道后，通過調整探測器軌道周期為木星衛星周期的整數倍實現了與4顆木星衛星多次交會，獲取了木星結構、大氣、磁場、行星環以及木衛表面形貌等較為全面的信息。任務期間共實現飛越木衛一7次、木衛二11次、木衛三8次、木衛四8次［3］。飛行全過程如圖2所示。

圖2 伽利略號探測木星系的飛行任務過程示意圖Eig.2 Schematic diagram of Galileo's flight to the Jovian system

為實現與木星衛星交會，防止與木星衛星相撞，在相鄰兩次木衛飛越過程中，正常安排了3次軌道修正機動，其中第3次修正利用了探測器下傳的目標衛星圖像進行軌道確定，文獻［4］對這種導航方法進行了研究（見圖3）。

該方法是通過地面系統綜合測距測速數據、甚長基線干涉測量（VLBI）測角信息以及下傳的目標衛星光學圖像，估計參考歷元下探測器的軌道參數。通過引入天體的光學圖像使導航精度大為提高，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，從而為后續擴展任務提供了較為充足的推進劑。伽利略號最初任務設計是實現木星衛星的11次飛越，實際在軌共實現了34次飛越。

圖3 伽利略號任務的地面導航系統示意圖Eig.3 Schematic diagram of the ground navigation system for the Galileo spacecraft

根據以上分析，伽利略號探測器在飛行任務規劃中的特點如下：

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

（2）通過地木轉移的軌道設計，實現了對兩個主帶小行星的順訪飛越探測，擴展了探測成果；

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

3.2 朱諾號飛行任務規劃

朱諾（Juno）號探測器采用了兩次深空機動和一次地球借力方式到達木星，飛行過程如圖4所示［6］。朱諾號于2011年發射，預計2016年到達木星后將通過制動被木星捕獲，首先進入軌道周期為78 d的環木極軌，近木點軌道高度為4500 km。下一次運行到近木點時降低遠木點高度，進入軌道周期為11 d的環木星使命軌道，遠木點半徑約39 RJ（RJ為木星半徑），探測重點是在近木點附近開展為期1年的科學探測。圖5為朱諾號任務期間的軌道變化及與木星輻射帶的關系［7］。序號1表示環繞后的第1軌，序號16為中間1軌，序號31為最后1軌，可見其近木點逐漸向北極漂移，但任務期間近木點始終處于木星內部輻射相對較低的區域。

圖4 朱諾號地木轉移軌道Eig.4 Juno's interplanetary trajectory

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

朱諾號的設計特點包括：

（1）地木轉移過程中采用了1次地球借力和2次深空機動的飛行方案（見圖4），雖然比伽利略號的飛行方案增加了推進劑消耗，但可以實現提前約1年到達木星，便于盡早開展探測；

（2）朱諾號探測器利用木星輻射帶的分布特點，將初始近木點設置在木星赤道面附近，可極大地減少探測器的輻射劑量。受木星引力攝動的影響，朱諾號的使命軌道拱線與赤道夾角每圈增加0.9°，逐漸遠離赤道面，使探測器每圈軌道進入輻射區的時間逐漸增加（見圖5）。為減少任務期間的總輻射量，朱諾號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，初始近木點可更接近木星赤道。

3.3 JUICE飛行任務規劃

JUICE是目前最復雜的木星系探測任務，文獻［8］對JUICE的方案設想進行了介紹。探測器計劃2022年6月用阿里安-5火箭在庫魯發射場發射。地木轉移時間為7.6年，采用地球-金星-地球-地球借力序列。到達木星前，先采用木衛三借力，然后實現2次木衛二飛越，利用木衛四借力實現軌道傾角變化，再經過木衛三和木衛四的多次借力，降低進入木衛三速度后制動進入環繞木衛三的大橢圓軌道，最后形成200 km高度的圓軌道開展高分辨率遙感探測。

整個飛行過程中，重要階段包括木星制動、木衛四飛越和木衛三環繞。

1）木星制動

接近木星時選取木衛三借力飛行，減小了制動速度增量約300 m/s，制動后首先進入13RJ/243RJ的軌道，該軌道與木衛三形成25∶1的共振軌道（即探測器的軌道周期是木衛三軌道周期的25倍，保證每個周期結束時仍可與木衛三在相同的位置相遇）。

2）木衛四飛越

通過木衛四與木衛三間的多次借力進入木衛四共振軌道。通過6次重復木衛四借力使軌道傾角增加到29°，可以觀測到木星南北緯63°以上的木星極區，實現木星高緯度探測。到達最大傾角后，再采用相同的策略降低傾角至接近零。

3）木衛三環繞

JUICE采用太陽翼供電方式，由于木星附近的太陽常數低，對光照和陰影的關系較為敏感，因此任務設計時在環繞木衛三初期先進入200 km/10 000 km極軌，后期形成低高度圓軌道。

整個任務期間，初始進入環繞木衛三軌道時β角（太陽矢量與軌道面夾角）約25°，進入500 km圓軌道時β角增大至60°，至200 km軌道末期達到86°。在保證光學載荷成像需求的條件下滿足探測器功率平衡。對初始形成的大橢圓軌道，木星系內的攝動較為明顯，會引起軌道高度和拱線的變化。通過選擇特定的近心點幅角后，形成了如下軌道變化規律：前30天內軌道逐漸圓化，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，直至軌道再恢復至200 km/10 000 km。這個階段軌道遠心點處于木衛三的光照期間，可以利用光學載荷開展長時間成像觀測；而且由于近心點幅角不同，更有利于對木衛三表面區域的成像覆蓋。整個過程如圖6所示。［8］

圖6 環繞木衛三的軌道階段Eig.6 Phases of orbiting Ganymede

根據以上分析，JUICE飛行任務的特點如下：

（1）采用借力飛行技術，通過地木轉移過程多次天體借力加速，降低了對火箭運載能力的需求；利用木星系內木星衛星開展多次飛越，實現飛越探測和借力減速。通過借力使任務過程所需的總速度增量大大降低，相比伽利略號可進一步實現對木衛三的環繞探測。此外，通過對木衛四的多次借力，提高了相對木星和木衛四的軌道傾角，實現了對高緯度地區的觀測。

（2）近木制動時直接選擇了距木星相對較遠的木衛三借力，并把木衛三作為最終的環繞探測目標。

（3）利用了木衛三的引力攝動特性，進入木衛三軌道后，通過經歷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，實現了較長時間對木衛三表面中低分辨率的光學觀測，當β角達到較為接近垂直軌道面時再降軌至200 km圓軌道，保證功率平衡。

3.4 任務特點及啟示

根據對國外木星系環繞探測任務飛行任務的分析結果，可以得出以下結論：對于木星這類遠距離、環境復雜的行星探測，受系統質量等資源限制，任務規劃設計極大地受飛行軌道、導航能力的制約，必須加以創新才能有效地提高探測成果。

3.4.1 充分利用借力飛行技術

（1）利用借力飛行技術實現對探測器的加速或減速。根據霍曼變軌，初步估算從地球直接轉移至木星的發射能量和到達能量，地球發射C3（C3為相對天體無窮遠處速度的平方，反映了對運載器發射能量的需求）約為77.3 km2/s2，到達木星的C3約為31.8 km2/s2。這對火箭的運載能力要求很高，因此木星任務與火星、金星探測的一個顯著區別是通常需要使用行星借力方式來降低發射能量；此外，有木星衛星環繞任務的探測器，對探測器自身速度增量需求也很大，要求地木轉移和木星系內盡可能優化速度增量。伽利略號在任務初期曾計劃采用大型火箭發射直接進入地木轉移軌道，受運載器研制進度影響，轉而采用金星-地球-地球借力方式。文獻［9］對該借力方式進行了詳細分析，通常2～3年就存在可行的發射窗口。到達木星后，通過大質量木星衛星（伽利略衛星）的減速借力，減少近木制動的速度增量。JUICE在地木轉移過程中除采用多次借力飛行，在環繞木星后繼續利用這些衛星的共振軌道，最終以很少的速度增量代價實現環繞木衛三。

（2）利用借力飛行調整軌道傾角。木星衛星的軌道均集中在木星赤道平面內，JUICE探測器為實現木星衛星頻繁借力，初始進入木星系時軌道平面接近木星赤道，但通過對木衛四的多次借力抬高了軌道傾角，從而也實現了對木星高緯度極區的探測。

3.4.2 利用天體的攝動特性優化軌道控制策略

由于木衛三處于木星系多天體環境中，受木星以及其它木星衛星的影響，探測器環繞軌道會受到較強的攝動影響。JUICE探測器巧妙利用了木衛三的引力攝動特性，減少了環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探測。當β角（太陽矢量與軌道面的夾角）達到較為接近垂直軌道面時，再進入低高度圓軌道開展高分辨率探測。如果初始直接進入低高度環繞軌道，受β角變化影響，若要滿足功率平衡，無論在質量資源還是系統設計上都面臨挑戰。

3.4.3 以高精度導航為任務的基礎

對于木星系這類遠距離深空探測任務，由于地面測定軌精度已經明顯降低，天地傳輸時延大大增加，必須通過探測器近距離對天體實際觀測來提高軌道確定精度，保證交會、借力等任務的完成。早期的伽利略任務是探測器提前下傳多幅原始圖像，由地面系統結合直接測軌數據進行軌道確定，導航計算交由地面完成，對改善軌道確定精度，準確飛越目標衛星起到了重要作用。由于軌道高度越低對應的借力飛越越有效，如果能夠實現高精度導航，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和軌道修正次數，降低速度增量需求。并且接近天體時軌道高度降低，還利于光學相機、穿透雷達等有效載荷提高表面探測精度。

未來的發展方向是采用基于目標天體成像和自主軌道外推的自主導航定位策略，從而解決上下行時間延遲、天體遮擋、日凌等條件對天地交互過程帶來的風險，減少地面測定軌較大誤差時存在的風險，保證軌道安全。

3.4.4 限制近木點高度的因素

木星系內特有的輻射環境直接影響了探測器的工作壽命。除最靠近木星的低輻射區，探測器與木星距離越近，對應的輻射強度越大，因此應限制近木點高度，以降低探測器所受到的累積輻射影響。伽利略號在近木制動前由于要對木衛一借力，近木點高度較低。為減少長期的輻射影響，在近木制動后第一圈軌道遠木點附近進行了抬高近木點機動。朱諾號由于需要近距離對木星觀測，轉而考慮采用更低的軌道高度，使近木點處于赤道附近輻射帶內側的低輻射區；同時采用由北向南降軌近木制動進一步降低輻射影響。JUICE近木制動時直接選擇了距木星相對較遠的木衛三借力，并把木衛三作為最終的環繞探測目標。木衛一、木衛二、木衛三的輻射環境如圖7所示［10］，在采用8 mm鋁屏蔽防護的條件下，木衛三附近輻射總累積速率約0.3 krad/d，遠小于木衛一和木衛二（10～15 krad/d）。

圖7 采用8 mm鋁防護的輻射累積速率與木星距的關系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成果

為在一次深空任務中擴大探測成果，可以充分利用飛越天體的機會開展成像與環境探測。地木轉移過程中如采用金星借力，可以在金星飛越時開展觀測；向木星轉移時必然經歷火星和木星之間的主帶小行星，因此通過優化軌道設計可以實現對部分主帶小行星的飛越［11］，伽利略號在地木轉移過程中就成功飛越了兩個主帶小行星，開展了近距離成像。JUICE在木星系內飛越木衛二時，設計了在近心點進行木衛二表面的詳細觀測，包括光學成像和次表層雷達對水冰和地形的探測。在環繞木衛三前，飛越木衛二、木衛三、木衛四時盡可能開展順訪探測。

4 我國木星系任務規劃的初步設想

我國已經提出在2030年前開展對木星系的環繞探測，借鑒前文介紹的國外木星系環繞探測任務規劃，對我國首次木星系環繞探測提出如下設想：

（1）根據對科學探測需求的分析，木星系探測的主要目標為開展木星和木衛二的環繞探測，以及其它借力天體的飛越探測。

（2）通過探測木星大氣、磁場、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，研究木星系統的起源與演化。

（3）探測木衛二形貌、表面成分、內部結構、磁場、大氣成分、空間粒子分布等，研究木衛二的形成和演化；探測木衛二的冰層、液態海洋等可能的生命信息，探索其存在生命的可能性。

任務飛行過程初步規劃如下：

1）地木轉移

根據對借力飛行發射窗口的分析，2030年前后滿足1次金星加2次地球借力的發射窗口在2028年3月，2029年11月和2031年4月［9］。根據深空探測規劃和我國的技術基礎，可抓住這些窗口時機開展一次木星環繞探測任務。至2028年，在發射C3不大于18 km2/s2的條件下，可采用長征-5火箭發射探測器首先進入地-金轉移軌道，運載能力約5000 kg。考慮干質量設計能力，探測器全任務期間能夠提供約3.4 km/s的總速度增量。地木轉移過程中盡可能飛越部分主帶小行星。

2）木星系內飛越

為減少近木制動速度增量，借鑒JUICE的制動方案，到達近木點前首先近距離飛越木衛三，然后開始近木制動進入大橢圓環木軌道。一方面規避近距離借力的輻射影響，另一方面提高借力減速的效果，并借機開展木衛三觀測。由于木衛二較木衛三更靠近木星，因此借力方式與JUICE存在一定區別，初步分析后續直接轉移至木衛二的借力序列可以采用多次木衛二、木衛三和木衛四的借力到達木衛二。借鑒JUICE的思路，擇機通過借力調整軌道傾角實現對木衛二、木衛三、木衛四以及木星高緯度區域近距離觀測。

3）木衛二環繞

經過前面多次借力后，以較小速度增量減速進入木衛二環繞極軌，開展木衛二的環繞探測，由大橢圓軌道逐漸過渡到低高度圓軌道。針對太陽翼供電探測器，需要借鑒JUICE的設計，選擇合適時機進入低高度圓軌道，并擇機釋放穿透器，開展短期木衛二表面水冰探測，以拓展探測成果。

在整個任務期間的關鍵變軌前，下傳天體圖像由地面進行軌道確定。出現日凌時采用軌道器自主導航提高定軌精度，保證軌道安全。整個飛行任務初步設想如圖8所示。

圖8 我國未來木星系環繞探測任務規劃設想Eig.8 Schematic diagram of future China's Jovian system orbiting mission planning

5 結束語

木星系探測是繼火星探測后深空探測的重要領域，不僅對太陽系演化與地外生命探索等科學理論研究具有重要意義，而且可以極大地帶動行星探測技術能力提升。根據國外已經開展的伽利略號、朱諾號任務以及正在論證的JUICE木星系任務可以發現，針對木星系距離遠、木星大質量衛星多、木星磁場及輻射環境強、引力場環境復雜等特點，利用多天體借力等方式充分開展飛行任務規劃，可以降低對運載火箭發射能量需求和探測器的設計難度，并拓展任務成果。未來我國的木星系探測任務也需要兼顧對木星和木星衛星的探測，盡可能多地獲得巨行星系第一手探測數據。在飛行任務規劃上需要充分利用多天體借力、天體特殊引力環境演化軌道、高精度相對導航等手段，以較小的工程代價實現最終的短期木衛二環繞以及穿透任務。這些設計思想可以為后續我國的木星系環繞探測任務提供參考和借鑒。

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（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，從事深空探測總體設計工作。Email：donghn13@163.com。