《Acta Astronautica》：Aerocapture guidance for Jupiter's low orbit insertion missions
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摘要目前，外行星的大气层内部及环系尚未被深入探索，其主要原因是进入低轨道需要大量的推进剂。与传统的纯推进式入轨方法相比，利用空气动力辅助的入轨方式——空气捕获技术，能够显著减少推进剂的消耗。本研究以木星低轨道进入为典型案例，探讨了中等至高升阻比的气动外壳在空气捕获过程中的制导问题
摘要
目前，外行星的大气层内部及环系尚未被深入探索，其主要原因是进入低轨道需要大量的推进剂。与传统的纯推进式入轨方法相比，利用空气动力辅助的入轨方式——空气捕获技术，能够显著减少推进剂的消耗。本研究以木星低轨道进入为典型案例，探讨了中等至高升阻比的气动外壳在空气捕获过程中的制导问题，这种气动外壳被称为木星滑行探测器。通过数值模拟，在实际环境不确定性条件下，对制导精度、系统稳定性以及空气热效应进行了分析。研究结果表明，结合动态压力跟踪的平衡滑行制导方式，再加上在预定速度时触发的全升力提升策略，能够让高升阻比的气动外壳满足木星低轨道进入所需的远日点精度要求。这些发现表明，采用高升阻比且具有尖锐边缘设计的空气捕获技术，是未来外行星探测任务的可行方案。
引言
外行星的环系仍是太阳系中探索最少的区域之一。例如，伽利略号任务[1]揭示了木星的大气结构，而朱诺号任务[2]则研究了这颗行星的内部结构。在未来的十年里，欧罗巴快船号[3]和欧洲航天局的JUICE任务将探索木星的大型卫星。相比之下，目前还尚未对木星的环系及其内部卫星群进行过详细观测。出现这一情况的原因是，传统的行星探测器轨迹设计依赖于推进式入轨方式，而这种方式需要大量推进剂才能实现低轨道飞行。
自20世纪60年代以来，人们就开始研究另一种更为高效的入轨技术，即空气捕获和空气制动技术[4]。如图1所示，这类空气动力辅助的入轨方式能够大幅降低航天器的推进剂消耗。例如，Hall指出，采用空气捕获技术的木星探测器，其成本效益相当于那些具有超过2000秒比冲的化学推进式探测器[5]。尽管有如此显著的优点，但由于制导复杂性以及热防护罩的可靠性等问题，空气捕获技术至今仍未在实际中得到应用。Spilker评估了空气捕获技术的技术成熟度，认为NASA现已具备在土卫六、火星和金星上应用该技术的条件[6]。Girija根据可行的航天器设计参数，提出了用于太阳系探索的空气捕获设计参考任务[7]。针对海王星，Lockwood提出了一种基于中等升阻比要求的滑翔机形空气捕获探测器设计[8]，而Dutta则将天王星空气捕获探测器概念作为NASA的旗舰任务进行了进一步发展[9]。
然而，由于木星进入大气层时的环境极为恶劣，目前还没有关于木星空气捕获技术的详细研究。因此，本研究旨在探讨木星空气捕获技术的可行性，重点分析其制导与控制方面的问题。
章节节选
木星滑行探测器概念
目前，已确定两种主要的空气捕获技术：阻力调节和升力调节。虽然阻力调节在结构上较为简单，且适用于小型航天器[10]，但升力调节能够提供更宽的进入范围以及更高的制导精度，因此更适合大型航天器。鉴于木星进入大气层时的空气热环境极为恶劣，使用阻力调节时所需的可展开的缓冲结构并不可行，因此升力调节成为更合适的选择
大气层内飞行时的三维运动方程
为分析木星滑行探测器的空气捕获轨迹，本研究如图5所示定义了两个参考坐标系。第一个是以木星为中心的惯性坐标系，可在该坐标系中积分普通的运动微分方程；第二个则是固定在木星上的旋转坐标系，在该坐标系中，空气捕获过程中的滑行制导法则被构建为一个反馈控制系统，其平衡点由空气动力作用、重力作用等因素共同决定
总体要求
空气捕获技术的目的在于控制轨道的多余能量，从而减少滑行后的推进剂消耗。考虑到最小化推进剂需求与设定目标远日点位置之间的等价性[20]，制导要求可简化为最小化远日点误差的问题。从中途制导的角度来看，木星滑行探测器的进入飞行路径角度受到进入范围宽度的限制。如果该探测器的进入飞行路径角度过小，那么其空气动力作用就会不足
制导策略与算法
空气捕获制导过程包含两个阶段：平衡滑行阶段和脱离阶段。在平衡滑行阶段，航天器沿着大气层的上表面滑行，以此消耗多余的轨道能量。而在脱离阶段，航天器则需要执行升力提升操作，从而离开大气层内部。
研究结果
图13展示了通过ALT跟踪算法和DP跟踪算法得到的飞行轨迹。在这些模拟中，木星滑行探测器的头部半径被设定为0.05米，这一数值与具有尖锐前缘的滑行体设计理念相符。计算空气热效应时采用了公式（32）–（34）。标准轨迹以蓝色显示，而受干扰后的轨迹则以灰色呈现。显然，ALT跟踪算法在探测器脱离时的速度分布上存在较大差异。
制导性能比较
如图14所示，DP跟踪制导方式能够实现更高的远日点精度。而由于大气环境的不确定性，ALT跟踪制导方式在探测器脱离时的速度分布更为分散，从而导致其空气捕获成功率较低，相关数据见表5。图15展示了两种制导方式在空气热效应方面的对比情况。由于大气进入后不久就会产生热量脉冲，因此两种制导方式下的最大滞止热流值大致相当。在最初的滑行阶段，这两种制导方式的性能表现都较为接近
结论
本研究通过数值模拟，探讨了通过空气捕获技术直接实现木星低轨道进入的可行性。研究结果表明，对于高升阻比的航天器而言，结合DP跟踪技术的平衡滑行制导方式，再辅以简单的全升力提升触发逻辑，就能够实现足够的远日点精度。此外，由于具有尖锐前缘的探测器设计还能有效降低木星进入大气层时的辐射热流，因此，这种高升阻比且带有尖锐边缘的滑行体设计是一种十分可行的选择
作者贡献说明
Tomoaki Usuki：概念构思、正式分析、资金筹集、研究实施、方法设计、验证工作、结果可视化以及初稿撰写。Yuichi Tsuda：概念构思、项目管理、监督工作以及论文的审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。
Tomoaki Usuki|Yuichi Tsuda
日本神奈川县相模原市吉野台3-1-1，空间宇宙科学研究所空间系统与航天学部，邮编252-5210
