伽利略木卫探测飞行轨道设计与优化

The new round of exploration of the Jupiter's Galilean moons（Callisto,Ganymede,Europa,and Io）is promising to help mankind search for the moons'subsurface-seas and extraterrestrial life in the Jupiter planetary system. The design and optimization of spacecraft flight trajectories is a key technology for the exploration. The requirement of exploring multiple moons in a signle mission poses unprecedented challenges for spacecarft flight trajectory design, and the main difficulties lie in the complex orbital characteristics considering multiple gravitations and low-energy maneuvers to implement moons'global mapping and tour.In order to solve questions of how to conduct Galilean moons' flyby and rendezvous as well as moons'tour,the research plan on design and optimization of impulse and low-thrust flight trajectories for the Galilean moon's exploration is proposed in this project. The main contents for this research include analyzing the dynamical characteristics of flight trajectories in the presence of multiple gravitations using dynamical system theory, proposing the systematic trajectory design approaches，revealing the relationship between flight time and propellant consumption, and developing the effective strategies for global trajectory optimization. The achievements of this research not only entend the scope of the sutdy on deep-space trajectory design but also lay a theoretical foundation for the tentative China's Jupiter and Galilean moons exploration mission after 2020.

新一轮伽利略木卫（木卫4、木卫3、木卫2、木卫1）探测有助于人类了解木卫是否存在地下海洋以及地外生命。木卫探测飞行轨道设计与优化是木卫探测任务实施的关键技术之一。通过一次任务探测四颗或多颗伽利略木卫的需求对飞行轨道设计提出了前所未有的挑战，其主要难点在于多天体引力场模型中飞行轨道的复杂特性以及如何低能耗地实现木卫全球覆盖与遍历。本项目以解决如何实现木卫飞越与交会以及木卫遍历等一系列问题为牵引，提出系统开展脉冲以及连续小推力木卫探测飞行轨道设计与优化的研究计划，力求充分应用动力系统理论分析木星系统多天体引力场中的探测器飞行轨道动力学特性，提出系统的轨道设计方法，揭示飞行时间与推进工质消耗的内在关联，深入探讨飞行轨道全局优化策略。研究成果一方面将拓展深空轨道设计的研究范畴，另一方面可为我国2020年后可能实施的木星及木卫探测任务提供理论支持。

以伽利略木卫探测为任务背景，课题组深入开展了二体拼接、圆形限制性模型中的复杂转移轨道设计问题。提出了一种木卫巡游轨道新的飞行机制：“分散式共振飞越”的木卫全球观测。利用该方法求解了GTOC6竞赛问题，得到了目前国际范围的最佳设计结果。本课题的主要研究进展、重要结果、关键数据等及其科学意义或应用前景最终总结为以下 4个方面：1）伽利略木卫飞越探测飞行轨道优化 设计；2）圆形限制性三体的共振轨道及其应用价值；3）利用共振轨道概念开展全局优化轨道设计；4）连续小推力轨道优化方法的延拓设计方法；5）对数据库构建+进化算法开展转移轨道全局寻优的初步研究。通过本课题的研究，课题组对二体圆锥曲线拼接模型、圆型限制性三体拼接模型、多天体引力场模型中各类飞行轨道的特性及内在关联获得了系统而深刻的认识和理解；提出并掌握了多天体引力场中脉冲与连续小推力的优化设计方法；尝试并掌握了数据库+进化算法开展全局巡游的技术手段，为后续深入开展全局优化研究打下基础；通过研究，课题组具备了木卫探测飞行轨道的设计能力，在实际研究过程中，更进一步掌握了日地月多引力场中的轨道设计方法，并根据轨道分析与设计结果提出科学与应用任务，并已将相关成果应用于国家空间飞行器相关的重大科技工程项目论证。