Preliminary trajectory design of a mission to enceladus

12/12/2016

As agências espaciais despertaram recentemente para a importância da exploração de mundos oceânicos. Alguns destes corpos celestes, como Enceladus e Europa, orbitam dentro dos sistemas lunares de planetas gigantes, como Júpiter e Saturno. A vontade de investigar estas luas em detalhe motivou a conceção de uma nova classe de trajetórias — complexos “moon tours” que têm como objectivo uma redução drástica do custo de inserção orbital naquelas luas. Este trabalho ataca o desafio específico de desenvolver uma trajectoria preliminar que possibilite o envio de uma sonda, com a maior massa possível, para orbita de Enceladus. Para começar, a estrutura da missão e definida. De seguida, o cálculo da trajectória começa com a otimização de diversas sequências interplanetárias, obtidas através de um processo baseado em diagramas de Tisserand. Para permitir isto, um processo de otimização global que envolve cooperação entre algoritmos estocásticos e delineado e implementado. Para obter soluções para o “moon tour”, uma técnica moderna de nomeada V∞-Leveraging e estudada e usada, demonstrando ser essencial neste tipo de missões. Finalmente, num passo além da literatura atual, o efeito da inclusão de transferências inter-lua na solução do “moon tour” e discutido e considerado não negligenciável. O resultado deste trabalho e um exemplo de uma trajectória preliminar que permite a colocação de um satélite com, no máximo, 2 toneladas, em órbita de Enceladus num prazo de 13.9 anos. Space agencies have recently awoken to the importance of exploring ocean worlds. Some of these celestial bodies, such as Enceladus and Europa, exist within the dynamic moon systems of giant planets like Jupiter and Saturn. The will to investigate these moons in detail motivated the study of a new class of trajectories — complex moon tours with the objective of drastically cutting down on the cost of orbital capture at these moons. This work tackles the specific challenge of designing a preliminary spacecraft trajectory capable of delivering as much mass as possible to Enceladus’ orbit. To begin with, a framework for the mission is established. Then, the trajectory design starts with the optimisation of several interplanetary flight sequences, obtained through a process based on Tisserand plots. To achieve this, a global optimisation procedure with a cooperative stochastic topology is outlined and implemented. To obtain solutions for the moon tour, a modern V∞-Leveraging technique, demonstrated to be essential for this class of missions, is studied and used. Finally, in a step beyond current literature, the effect of the addition of inter-moon transfer orbits to the moon tour’s solution is discussed and found to be non-negligible. The outcome of this work is an example preliminary trajectory that enables an Enceladus orbiter spacecraft of up to two tonnes, within a mission time of 13.9 years.

Autores da comunidade :

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  D

  David Falcato Fialho Palma

  ist170208

Orientadores desta instituição:

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  P

  Paulo Jorge Soares Gil

  ist12912

202010279

Mestrado em Engenharia Aeroespacial

mechanical-engineering - Engenharia Mecânica

Palavras-chave

• Enceladus
• circuito inter-luas
• alavancamento de V∞
• diagramas de Tisserand
• optimização de trajetórias
• mundos oceânicos
• V∞-Leveraging
• trajectory optimisation
• ocean worlds
• Tisserand plot
• ENCELADUS
• moon tour

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