Скачать презентацию Keldysh Institute of Applied Mathematics Russian Academy of Скачать презентацию Keldysh Institute of Applied Mathematics Russian Academy of

5aecebfb70950df4a8e0a955f8727a03.ppt

  • Количество слайдов: 64

Keldysh Institute of Applied Mathematics Russian Academy of Sciences Боровин Г. K. Голубев Ю. Keldysh Institute of Applied Mathematics Russian Academy of Sciences Боровин Г. K. Голубев Ю. Ф. , Грушевский А. В. , Корянов В. В. Тучин А. Г. , Тучин Д. А. РАЗРАБОТКА СТРАТЕГИЙ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ ВНЕШНИХ ПЛАНЕТ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МОДЕЛИ СДВОЕННЫХ ОГРАНИЧЕННЫХ ЗАДАЧ ТРЁХ ТЕЛ Тринадцатый Международный Междисциплинарный Семинар LPp. M 3 -XIII Thirteenth International Interdisciplinary Seminar LPp. M 3 -XIII Montenegro, Petrovac 2015

Предистория освоения системы Юпитера • 4 октября 1957 Первый искусственный спутник Земли СССР Спутник-1 Предистория освоения системы Юпитера • 4 октября 1957 Первый искусственный спутник Земли СССР Спутник-1 • 2 января 1959 Первый пролёт около Луны СССР «Луна-1» • 13 сентября 1959 Первый аппарат, достигший другого небесного тела (Луна). СССР «Луна-2» • 4 октября 1959 • 1961 Первое использование гравитационного манёвра. СССР «Луна-3» Первый неуправляемый пролёт близ Венеры на расстоянии 100000 км. СССР «Венера-1» • 1961 Первый пилотируемый космический полёт. СССР • 14 декабря 1962 Первый контролируемый пролёт около Венеры на расстоянии 33800 км. США «Маринер-2» • 19 июня 1963 Первый неуправляемый пролёт около Марса на расстоянии 197000 км. СССР «Марс-1» • 14 июля 1965 Первый контролируемый пролёт около Марса. США «Маринер-4»

 • • • 3 февраля 1966 1 марта 1966 3 апреля 1966 15 • • • 3 февраля 1966 1 марта 1966 3 апреля 1966 15 декабря 1970 14 ноября 1971 • 27 ноября 1971 • 2 декабря 1971 • 3 марта 1972 Первая мягкая посадка на Луну СССР «Луна-9» Первый аппарат, достигший Венеры. СССР «Венера-3» Первый искусственный спутник на орбите Луны. СССР «Луна-10» Первая мягкая посадка на Венере СССР «Венера-7» Первый искусственный спутник Марса США «Маринер-9» Первый аппарат на поверхности Марса СССР «Марс-2» Первая мягкая посадка АМС на Марс СССР «Марс-3» Первый аппарат, преодолевший притяжение Солнца США «Пионер-10» • 4 декабря 1973 Первый пролёт около Юпитера США «Пионер-10» • 24 августа 1989 Первый пролёт вблизи Нептуна США «Вояджер-2» •

Проектирование российской миссии к Юпитеру • Ганимед : под многокилометровым слоем льда может существовать Проектирование российской миссии к Юпитеру • Ганимед : под многокилометровым слоем льда может существовать жидкий океан, где не исключено существование жизни • В планы Роскосмоса входит отправка к Ганимеду двух исследовательских зондов — посадочного и орбитального, которые совершат один гравитационный манёвр у Венеры и два — у Земли • В 2029 году КА долетит до системы Юпитера, а ещё примерно через два года выйдет на орбиту вокруг Ганимеда

“JUICE” (JUpiter ICy moon Explorer) • Европейское космическое агентство (ESA) одобрило проект миссии “JUICE” “JUICE” (JUpiter ICy moon Explorer) • Европейское космическое агентство (ESA) одобрило проект миссии “JUICE” по исследованию системы Юпитера, российские и европейские ученые обсуждают возможное взаимодействие в рамках проектов «Лаплас-П» и “JUICE” • Миссия JUICE станет частью европейской программы «Cosmic Vision» , рассчитанной на 2015 -2025 годы • Программный комитет ESA отдал предпочтение проекту JUICE (JUpiter ICy moon Explorer) стоимостью около 1 миллиарда евро перед двумя другими проектами - обсерваторией для поиска гравитационных волн NGO (New Gravitational Wave Observatory) и рентгеновским телескопом ATHENA (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics). • Планируется, что европейский аппарат стартует в 2022 году и достигнет системы Юпитера в 2032 году.

 Баллистический сценарий “JUICE” Баллистический сценарий “JUICE”

ESA-“JUICE” Jovian Mission Design S Interplanetary part VEEGA S Ganymede Flyby S JOI S ESA-“JUICE” Jovian Mission Design S Interplanetary part VEEGA S Ganymede Flyby S JOI S G&C&E - Flyby Sequence S GOI

Roskosmos scenario type S Interplanetary part VEEGA S JOI-first of all + Ganymede Landing Roskosmos scenario type S Interplanetary part VEEGA S JOI-first of all + Ganymede Landing (Flexible JOI Data) S Flexible G&C-Flyby Sequence S GOI S Ganymede Circular Orbit (GCO) S Ganymede Landing

Основные требования и ограничения v Минимум Delta V По возможности квазибаллистические сценарии с использованием Основные требования и ограничения v Минимум Delta V По возможности квазибаллистические сценарии с использованием гравитационных манёвров v Ограничения на TID (Total Ionizing Doze) (JUICE’s TID =250 -300 Krad 8 mm Al) v Общая длительность миссии v Минимум асимптотической скорости относительно Ганимеда

 «Семья» Юпитера «Семья» Юпитера "Медичейские звезды Галилея” по Симону Майру (1573− 1624)

 «Ближние луны» J 1 и J 2 Ио Радиус, км Гравитационный параметр, км «Ближние луны» J 1 и J 2 Ио Радиус, км Гравитационный параметр, км 3/с2 Полуось орбиты, км/рад. Юпитера Орбитальная скорость, км/с Европа Радиус, км Гравитационный параметр, км 3/с2 Полуось орбиты, км/рад. Юпитера Орбитальный период, сутки 1821. 6 Орбитальный период, сутки 1. 8 5960 Эксцентриситет 0. 0041 Наклонение в эклиптической СК Радиус сферы действия, тыс. км 2. 21 17. 6 421. 6 103 /5. 91 17. 3 1560. 8 3202. 7 670. 9 103 /9. 4 3. 55 Орбитальная скорость, км/с 13. 74 Эксцентриситет 0. 0101 Наклонение в эклиптической СК Радиус сферы действия, тыс. км 0. 47 22. 7

Галилеевы луны J 3 и J 4 Ганимед Орбитальная скорость, км/с 10. 88 Эксцентриситет Галилеевы луны J 3 и J 4 Ганимед Орбитальная скорость, км/с 10. 88 Эксцентриситет 0. 0015 Наклонение в эклиптической СК Радиус сферы действия, тыс. км 0. 195 52. 6 2410. 3 Орбитальная скорость, км/с 8. 2 7179. 3 Эксцентриситет 0. 007 Наклонение в эклиптической СК Радиус сферы действия, тыс. км 0. 28 82. 9 2631. 2 Радиус, км Гравитационный 3/с2 параметр, км 9887. 8 Полуось орбиты, 1070. 4 103 /14. 97 км/рад. Юпитера Орбитальный период, сутки 7. 155 Каллисто Радиус, км Гравитационный параметр, км 3/с2 Полуось орбиты, км/рад. Юпитера Орбитальный период, сутки 1882. 7 103 /26. 33 16. 69

I. Радиационная опасность в системе Юпитера I. Радиационная опасность в системе Юпитера

Потоки электронов и дозы радиации в магнитосфере Юпитера Amalthea Io Europa Ganymede Callisto Потоки электронов и дозы радиации в магнитосфере Юпитера Amalthea Io Europa Ganymede Callisto

Typical radiation hazard analysis on the Phase 1 Typical radiation hazard analysis on the Phase 1

Типовое накопление дозы радиации на первом этапе Phase 1 Типовое накопление дозы радиации на первом этапе Phase 1

Динамика накопления дозы радиации на одном витке. Квазисингулярность TID Динамика накопления дозы радиации на одном витке. Квазисингулярность TID

Важнейший фактор при баллистическом проектировании в системе Юпитера: Квазисингулярность приращения TID (Total Ionizing Doze-доза Важнейший фактор при баллистическом проектировании в системе Юпитера: Квазисингулярность приращения TID (Total Ionizing Doze-доза накопленной радиации)

II. Геометрия гравитационного манёвра (GAM) II. Геометрия гравитационного манёвра (GAM)

Максимально возможные вариации скорости КА при пролете крупных небесных тел Солнечной системы Максимально возможные вариации скорости КА при пролете крупных небесных тел Солнечной системы

Российский сценарий «Лаплас-П» : типовая цепочка резонансных гравманевров Moon Orbital period of SC after Российский сценарий «Лаплас-П» : типовая цепочка резонансных гравманевров Moon Orbital period of SC after Number of the satellite flyby rated to rounds after a satellite’s orbital period flyby Ганимед Ганимед 6 5 4 3 2. 5 2 1 1 2 1 Адаптированы и активно используются: -ESTK complex БЦ ИПМ им. М. В. Келдыша РАН -Эфемериды системы Юпитера JPL NASA в формате Navigation and Ancillary Information Facility (NAIF)- FEM модель DE 430 -Refined Flyby Model

Прилет в систему Юпитера после межпланетного участка v Time of Jovian sphere of influence Прилет в систему Юпитера после межпланетного участка v Time of Jovian sphere of influence 2029/06/03 09: 25: 10 UTC v Flyby hyperbola ( J 2000) v Semimajor axe, km 5252. 572592 v Eccentricity 1. 163115 v Inclination 23. 44 grad v V-Infinity, km/s 4. 91 v Pericenter Time 2029/08/29 17: 20: 35 UTC v Pericenter altitude 12. 5 RJ

Квазирезонансная часть цепочки гравитационных маневров с использованием точных эфемерид Квазирезонансная часть цепочки гравитационных маневров с использованием точных эфемерид

1 GAM (near Ganymede) Callisto Europa IO Ganymede Time of minimal distance reaching Minimal 1 GAM (near Ganymede) Callisto Europa IO Ganymede Time of minimal distance reaching Minimal distance Height of pericenter of flyby hyperbola Asymptotic velocity Change of velocity relatively to Jupiter Period after flyby of GANYMEDE Distance in pericenter rated to Jupiter’s radius Eccentricity after flyby Velocity in pericenter after flyby Velocity in apocenter after flyby 2030/04/25 12: 55: 52 18. 119618 1000 km 15. 485618 1000 km 6. 794698 -0. 040897 42. 915096 days 11. 503787 0. 767555 16. 511564 2. 171381 Vx=0. 000755, Vy= 0. 005958, Vz=0. 003207, |V|=0. 006808

2 GAM Time of minimal distance reaching Minimal distance Height of pericenter of flyby 2 GAM Time of minimal distance reaching Minimal distance Height of pericenter of flyby hyperbola Asymptotic velocity Change of velocity relatively to Jupiter Period after flyby of GANYMEDE Distance in pericenter rated to Jupiter’s radius Eccentricity after flyby Velocity in pericenter after flyby Velocity in apocenter after flyby 2030/06/07 11: 18: 06 13. 702676 1000 km 11. 068676 1000 km 6. 761808 -0. 046064 35. 762581 days 11. 268810 0. 742874 16. 565945 2. 443969 Vx-0. 004218, Vy=0. 002570, Vz=0. 001342, |V|=0. 005118

3 GAM Time of minimal distance reaching Minimal distance Height of pericenter of flyby 3 GAM Time of minimal distance reaching Minimal distance Height of pericenter of flyby hyperbola Asymptotic velocity Change of velocity relatively to Jupiter Period after flyby of GANYMEDE Distance in pericenter rated to Jupiter’s radius Eccentricity after flyby Velocity in pericenter after flyby Velocity in apocenter after flyby 2030/08/18 00: 23: 08 9. 464318 1000 km 6. 830318 1000 km 6. 747614 -0. 057707 28. 610065 days 10. 908290 0. 711178 16. 683664 2. 815964 Vx=-0. 014865, Vy=0. 012230, Vz=0. 004934, |V|=0. 019872

4 GAM Time of minimal distance reaching Minimal distance Height of pericenter of flyby 4 GAM Time of minimal distance reaching Minimal distance Height of pericenter of flyby hyperbola Asymptotic velocity Change of velocity relatively to Jupiter Period after flyby of GANYMEDE Distance in pericenter rated to Jupiter’s radius Eccentricity after flyby Velocity in pericenter after flyby Velocity in apocenter after flyby 2030/09/15 15: 30: 37 6. 338138 1000 km 3. 704138 1000 km 6. 724214 -0. 078352 21. 457549 days 10. 356952 0. 667801 16. 903565 3. 366919 Vx=-0. 003701, Vy=0. 003109, Vz=0. 001477, |V|=0. 005055

5 GAM Time of minimal distance reaching Minimal distance Height of pericenter of flyby 5 GAM Time of minimal distance reaching Minimal distance Height of pericenter of flyby hyperbola Asymptotic velocity Change of velocity relatively to Jupiter Period after flyby of GANYMEDE Distance in pericenter rated to Jupiter’s radius Eccentricity after flyby Velocity in pericenter after flyby Velocity in apocenter after flyby 2030/10/07 02: 25: 05 8. 641858 1000 km 6. 007858 1000 km 6. 746652 -0. 068217 17. 881290 days 9. 929413 0. 640352 17. 120993 3. 753786 Vx=-0. 001707, Vy=0. 005016, Vz=0. 002694, |V|=0. 005944

6 GAM Time of minimal distance reaching Minimal distance Height of pericenter of flyby 6 GAM Time of minimal distance reaching Minimal distance Height of pericenter of flyby hyperbola Asymptotic velocity Change of velocity relatively to Jupiter Period after flyby of GANYMEDE Distance in pericenter rated to Jupiter’s radius Eccentricity after flyby Velocity in pericenter after flyby Velocity in apocenter after flyby 2030/11/12 04: 29: 38 6. 051283 1000 km 3. 417283 1000 km 6. 727114 -0. 095345 14. 305032 days 9. 273662 0. 610227 17. 552545 4. 248788 Vx=-0. 006027, Vy=0. 003142, Vz=-0. 000433, |V|=0. 006811 v Высота перицентра орбиты КА падает v Не можем понизить асимптотическую скорость КА относительно Ганимеда

III. Проблема уменьшения асимптотической скорости V-infinity III. Проблема уменьшения асимптотической скорости V-infinity

Ti-Criterion (Критерий Тиссерана) Ограниченная задача трех тел Restricted 3 Body Problem R 3 BP Ti-Criterion (Критерий Тиссерана) Ограниченная задача трех тел Restricted 3 Body Problem R 3 BP Jacobi Integral J Tisserands Parameter T (see S. Campagnola, R. Russell 2009) “Изоинфина” (баллистический детерминизм R 3 BP )

Диаграмма Тиссерана Диаграмма Тиссерана

TP-graphs strategy (axes Ra-Rp in RJ) TP-graphs strategy (axes Ra-Rp in RJ)

 Селекция пучков траекторий • Необходим критерий отбора большого числа прохождений небесных тел для Селекция пучков траекторий • Необходим критерий отбора большого числа прохождений небесных тел для поиска понижающих асимптотическую скорость • Часть кода: “G” ^ “C” • Полный коьюнкционный код: “Ganymede” + ”Not Ganymede” + ”Ganymede” “G” ^ ”C” ^ …^ ”C” ^ ”G”

Using TRAJECTORY BEAM method of Gravity Assists Sequences Determination Using TRAJECTORY BEAM method of Gravity Assists Sequences Determination

Отражения и переотражения (“quasi-gravitational billiards”), Ra-Rp axes Отражения и переотражения (“quasi-gravitational billiards”), Ra-Rp axes

Реальный потоковый поиск (“Пучки”) (оси Ra-Rp в радиусах Юпитера RJ) Отражения. G^C-десятки Отраженияпереотражения G^C^G Реальный потоковый поиск (“Пучки”) (оси Ra-Rp в радиусах Юпитера RJ) Отражения. G^C-десятки Отраженияпереотражения G^C^G миллионов вариантов тысячи вариантов

ESA’s JUICE Tisserand-Poincare graph ESA’s JUICE Tisserand-Poincare graph

Тур-”комфорт” по полученной дозе радиации TID Тур-”комфорт” по полученной дозе радиации TID

IY. Би-Тиссерановы координаты IY. Би-Тиссерановы координаты

Bi-Tisserand graph Определение момента перескока на другую R 3 BP Bi-Tisserand graph Определение момента перескока на другую R 3 BP

Advanced Tg-Tc Bi-Tisserand-graph Advanced Tg-Tc Bi-Tisserand-graph

Расширенный Bi-Tisserand-граф Расширенный Bi-Tisserand-граф

Advanced Tg-Tc Bi-Tisserand-graph Advanced Tg-Tc Bi-Tisserand-graph

Advanced Tg-Tc Bi-Tisserand-graph Advanced Tg-Tc Bi-Tisserand-graph

Advanced Tg-Tc BI-Tisserand-graph Advanced Tg-Tc BI-Tisserand-graph

TID-комфортабельный тур TID-комфортабельный тур

TID-комфортабельный тур TID-комфортабельный тур

Fly-by sequence selection strategy Extended-Euler-Lambert problem solution The “Lagrange” trajectoty-beams method Delta V minimization Fly-by sequence selection strategy Extended-Euler-Lambert problem solution The “Lagrange” trajectoty-beams method Delta V minimization Gravity-assist parameters permanent corrections S High-altitude gravity assists S Slow-ballistic “Belbruno” capture S Simulations of several Millions modes (results are presented) S S

V. Realization V. Realization

Part II of radiation-comfortable tour Part II of radiation-comfortable tour

Resume: Callisto & Ganymede STour design problem lends itself well to optimization schemes Resume: Callisto & Ganymede STour design problem lends itself well to optimization schemes

Публикации по теме Боровин Г. К. , Голубев Ю. Ф. , Грушевский А. В. Публикации по теме Боровин Г. К. , Голубев Ю. Ф. , Грушевский А. В. , Корянов В. В. , Тучин А. Г. ПОЛЁТЫ В СИСТЕМЕ ЮПИТЕРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРАВИТАЦИОННЫХ МАНЁВРОВ ОКОЛО ГАЛИЛЕЕВЫХ СПУТНИКОВ // Москва, 2013 Препринт ИПМ им. М. В. Келдыша № 72. Голубев Ю. Ф. , Грушевский А. В. , Корянов В. В. , Тучин А. Г. СИНТЕЗ СЦЕНАРИЕВ КОСМИЧЕСКИХ МИССИЙ В СИСТЕМЕ ЮПИТЕРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРАВИТАЦИОННЫХ МАНЕВРОВ Доклады Академии наук, 2014, том 456, № 1 * Голубев Ю. Ф. , Грушевский А. В. , Корянов В. В. , Тучин А. Г. , Тучин Д. А. ТОЧКИ БИФУРКАЦИИ ПРОВЕДЕНИИ ГРАВИТАЦИОННЫХ МАНЕВРОВ В СИСТЕМЕ ЮПИТЕРА Доклады Академии наук, 2015, том 462, № 2 Grushevskii A. V. , Golubev Yu. F. , Koryanov V. V. , Tuchin A. G. TO THE ADAPTIVE MULTIBODY GRAVITY ASSIST TOURS DESIGN IN JOVIAN SYSTEM FOR THE GANYMEDE LANDING // 24 th International Symposium on Space Flight Dynamics (ISSFD), Laurel, Maryland, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (JHU APL), May 5 -9, 2014. Grushevskii A. V. , Golubev Yu. F. , Koryanov V. V. , Tuchin A. G. ADAPTIVE LOW RADIATION MULTIBODY GRAVITY ASSIST TOURS DESIGN IN JOVIAN SYSTEM FOR THE LANDING ON JOVIAN'S MOONS. Proc. 65 th International Astronautical Congress (IAC 2014), Toronto, Canada.

Приложение: Интеграл Якоби в R 3 BP Приложение: Интеграл Якоби в R 3 BP

Параметр Тиссерана Параметр Тиссерана