田百義，王大軼，張相宇，周文艷，朱安文，黃美麗，王 穎

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

0 引 言

太陽系邊際通常以日球?qū)訛榉纸?如圖1所示)，其內(nèi)部是主要受太陽風(fēng)控制的區(qū)域，其邊緣距離太陽約80～150 AU。日球?qū)又馐菑V袤無垠的星際空間，充滿了等離子體、中性原子、宇宙塵埃以及宇宙線等星際介質(zhì)。開展太陽系邊際探測任務(wù)有利于探測日球?qū)觾?nèi)部結(jié)構(gòu)，揭示銀河系起源和演化，對我國空間科學(xué)與技術(shù)水平的全面發(fā)展、進入和探索宇宙空間能力的提升具有重要意義[1-3]。

圖1 日球?qū)蛹奥眯姓咛柼綔y器位置示意圖Fig.1 Diagram of heliosphere and the position of the Voyager 1 and Voyager 2 probes relative to the heliosphere

實施太陽系邊際探測不僅要求探測器在短時間內(nèi)達到極高的飛行速度，而且對極遠距離深空測控通信技術(shù)、大功率空間核電源技術(shù)、長期自主健康管理與自主運行技術(shù)等均有較高要求。目前國際上還尚未有專門的太陽系邊際探測任務(wù)，但先驅(qū)者號[4]、旅行者號[5-6]及新地平線號[7]等探測外太陽系天體的探測器已經(jīng)達到太陽系逃逸速度，在完成主任務(wù)后將繼續(xù)飛往更遠的太陽系邊際。其中先驅(qū)者10號和11號的主任務(wù)是飛臨木星和土星，它們分別于1973年12月和1979年9月完成其主要歷史使命，并繼續(xù)朝深空飛去，分別于2003年2月(約80 AU)和1995年11月(約45 AU)與地球失去聯(lián)系。旅行者1號和2號的設(shè)計任務(wù)是飛臨太陽系的行星系統(tǒng)，在完成其設(shè)計任務(wù)后，繼續(xù)向日球?qū)舆吘夛w行，但由于旅行者1號和2號的設(shè)計目標并不是探測太陽系邊際空間，再加上因電力供應(yīng)不足而提前關(guān)閉了一些探測設(shè)備，太陽系邊際的關(guān)鍵物理參量仍有待于進一步的任務(wù)來獲取。2006年1月，NASA發(fā)射了新視野號探測器，旨在對冥王星、冥衛(wèi)一等柯伊伯帶天體進行考察，目前在軌飛行速度約16.5 km/s，預(yù)計將于2038年飛臨日球?qū)舆吘?。由于新視野號攜帶的大多是一些光學(xué)成像測量設(shè)備，并且缺少磁場探測手段，因此也不適合專門的太陽系邊際探測。

在太陽系邊際探測飛行任務(wù)軌道研究方面，Craig[8]以太陽系逃逸時間為優(yōu)化目標，研究了直接逃逸、木星借力逃逸和地球+木星借力逃逸飛行任務(wù)軌道；Douglas等[9]學(xué)者以探測器在給定時間內(nèi)飛抵200 AU為目標，利用小推力直接轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化設(shè)計方法(Direct trajectory optimization method，DTOM)對比研究了直接飛行、1次借力和2次借力的飛行任務(wù)軌道(借力天體包括木星、土星、天王星和海王星)，并選擇1次木星借力的飛行任務(wù)方案，在此基礎(chǔ)上給出了探測器的方案設(shè)計；Zeng等[10]學(xué)者提出了一種新型的雙星太陽帆探測器的時間最優(yōu)軌道設(shè)計方法，研究了時間最優(yōu)的太陽系逃逸軌道設(shè)計；Matloff等[11]學(xué)者提出了太陽帆推進探測器在0.2 AU近日點的雙曲軌道展開太陽帆、在橢圓軌道的近日點0.2 AU展開太陽翼和木星借力這三種可能的星際太陽帆探測方案設(shè)想。國內(nèi)學(xué)者錢航等[12]以太陽帆在20年內(nèi)飛行至200 AU以遠星際探測為目標，研究了太陽帆通過行星借力和太陽借力的軌道全局優(yōu)化問題，提出采用行星借力和太陽借力太陽帆軌道優(yōu)化思路。

本文針對中國開展太陽系邊際多目標探測任務(wù)的飛行任務(wù)規(guī)劃問題，以給定時間內(nèi)飛抵日心距100 AU為目標，采用小推力星際轉(zhuǎn)移軌道的混合優(yōu)化設(shè)計方法，系統(tǒng)研究了2024-2030年之間多次行星借力的飛行任務(wù)軌道方案，給出了地球-地球-木星(EEJ)、地球-地球-木星-冥王星(EEJP)、地球-地球-木星-海王星(EEJN)、地球-地球-地球-木星-海王星(EEEJN)和地球-火星-地球-木星-海王星(EMEJN)等飛行方案，為中國首個太陽系邊際探測任務(wù)的實施提供參考。

1 任務(wù)約束分析

1.1 頂層任務(wù)約束

1) 發(fā)射日期約束：2024/1/1-2030/12/31。

2) 探測器在2049年1月1日的日心距不小于100 AU。

3) 鼻尖探測任務(wù)要求探測器到達100 AU處的位置矢量與日球?qū)颖羌馐噶繆A角優(yōu)于10°；尾部探測任務(wù)要求探測器到達100 AU的位置矢量與日球?qū)游膊渴噶繆A角優(yōu)于45°。其中，日球?qū)颖羌馐噶吭贘2000.0坐標系下的赤經(jīng)為255°，赤緯為5°。

1.2 運載約束

1) 基礎(chǔ)運載：發(fā)射C3小于30 km2·s-2，入軌質(zhì)量為2800 kg@ C3=30 km2·s-2和3400 kg@C3=20 km2·s-2。

2) 基礎(chǔ)運載+上面級：發(fā)射C3小于40 km2·s-2，入軌質(zhì)量為2800 kg@C3=40 km2·s-2和3400 kg@C3=30 km2·s-2。

1.3 探測器約束

1) 探測器干重≥1950 kg。

2) 電推進系統(tǒng)推力：320 mN。

3) 電推進系統(tǒng)比沖：3500 s。

4) 考慮到探測器熱防護問題，應(yīng)避免地球內(nèi)行星借力。

2 星際轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化設(shè)計方法介紹

利用探測器自身攜帶的核電推進系統(tǒng)，一方面需要完成相鄰兩次借力之間的軌道拼接，另一方面需要完成最后一次借力之后的加速逃逸。核電推進轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計的核心問題是確定地球發(fā)射日期、借力天體飛越時間、電推進弧段和電推進推力方向，而這一問題恰好可以轉(zhuǎn)化為含有多個非線性約束的多參數(shù)優(yōu)化問題，之后再利用優(yōu)化算法進行求解，從而解決該問題。優(yōu)化的參量即為整個任務(wù)設(shè)計過程中的時間變量，優(yōu)化的目標為推進劑消耗最優(yōu)，優(yōu)化約束包括2049年1月1日的日心距不小于100 AU、行星飛越高度限制、行星借力的C3能量匹配，以及探測器飛行方向與日球?qū)颖羌饣蛉涨驅(qū)游膊康膴A角。待優(yōu)化問題建立之后，可以利用目前比較成熟的智能優(yōu)化算法進行搜索尋優(yōu)，從而快速地找到一些滿足要求并且性能較優(yōu)的任務(wù)軌道[13-15]。

2.1 軌道動力學(xué)及優(yōu)化模型介紹

采用間接優(yōu)化方法進行軌道優(yōu)化設(shè)計，推進段采用的軌道動力學(xué)模型[16-17]如下所示:

(1)

式中：r,v為飛行器的位置、速度矢量，m為探測器總質(zhì)量，μ為中心天體引力系數(shù)，T為推力大小，α為推力方向的單位矢量，g0為海平面重力加速度，Isp為發(fā)動機比沖。

小推力飛行軌道的優(yōu)化，即是求解最優(yōu)控制問題：在滿足各種約束的條件下，找尋小推力最優(yōu)方向矢量α*，使探測器推進劑消耗量Δm達到最優(yōu)

J=Δm→min

(2)

利用Pontryagin極小值原理，哈密爾頓函數(shù)可以表示為：

(3)

則最優(yōu)推力方向α*可以通過式(4)獲得，

(4)

將哈密爾頓函數(shù)對狀態(tài)求偏導(dǎo)數(shù)可得到協(xié)狀態(tài)方程，形式如下：

(5)

2.2 行星借力模型介紹

探測器在太陽引力場中近距離飛越借力天體時，由于借力天體的引力作用，探測器相對借力天體的雙曲線剩余速度V∞方向會發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)，記為借力轉(zhuǎn)角θ，其表達式為

(6)

式中：μp和Rp分別表示借力天體的引力常數(shù)和赤道半徑，h為借力高度。

圖2 兩類借力飛行軌道Fig.2 Two kinds of planet gravity trajectories

本文采用基于B平面參數(shù)的行星借力模型[17]，該模型以B平面角b(定義如圖3所示，圖中矢量M為B平面與日心黃道坐標系的交線)和近心點距rp為參數(shù)。取探測器飛入行星的雙曲線剩余速度為V∞in=[vx∞-,vy∞-,vz∞-]T，則由B平面參數(shù)的幾何關(guān)系，可以得到探測器的飛出雙曲線剩余速度的矢量V∞out。

V∞out=[vx∞+,vy∞+,vz∞+]T

(7a)

(7b)

其中，

(8)

圖3 B平面角示意圖Fig.3 Diagram of B-plane angle

根據(jù)上述原理，若已知探測器的飛入雙曲線剩余速度矢量、借力軌道近心點距rp和B平面角b，則可以得到探測器在飛越行星之后的雙曲線剩余速度矢量。

2.3 小推力飛行控制策略設(shè)計方法介紹

本文取相鄰兩借力天體之間的小推力發(fā)動機工作序列為“滑行-推進-滑行”。以EEJ-100AU飛行軌道為例，圖4給出了小推力飛行序列示意圖。木星借力之后，以實現(xiàn)探測器加速逃逸太陽系為目標，不妨取小推力發(fā)動機沿速度方向連續(xù)推進，因此，木星借力之后的軌道無需進行一步優(yōu)化。

圖4 探測器飛行序列示意圖(EEJ-100AU)Fig.4 Diagram of the explorer flight sequence (EEJ-100AU)

針對探測器主要經(jīng)歷的EE和EJ兩個飛行階段而言，每段軌道的第1段滑行段，可根據(jù)初始位置和速度求解，而探測器的初始位置和速度可由行星星歷和飛出雙曲線剩余速度獲??；針對推進段，可根據(jù)衛(wèi)星初始狀態(tài)(包括位置、速度和質(zhì)量)及協(xié)狀態(tài)，通過對動力學(xué)方程和協(xié)狀態(tài)方程積分得到；針對第2段滑行段，可根據(jù)探測器的始末端位置通過求解蘭伯特問題獲取。

綜上分析，待優(yōu)化參數(shù)至少應(yīng)包括如下29個：

1)探測器的地球發(fā)射時間tL和地球逃逸速度矢量V∞L，4個變量，用于確定EE段的初始位置和速度。

2)EE和EJ階段的飛行總時間Ttof、滑行段時間和推進段時間占比δ0,δ1，6個變量，用于第1段滑行段和推進段的軌道遞推，以及小推力關(guān)機點的參數(shù)打靶拼接。

3)兩次行星借力B平面參數(shù)b,rp，4個變量，用于借力逃逸雙曲線剩余速度的求解。

4)EE和EJ階段發(fā)動機開機時刻的協(xié)狀態(tài)λ0，14個變量，用于推進段的軌道遞推。

5)木星借力之后小推力發(fā)動機工作時長Ton3，1個變量，加速探測器逃逸。

給定上述參數(shù)之后，可將多次行星借力的小推力飛行軌道優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為多參數(shù)優(yōu)化的問題。

待優(yōu)化參數(shù)：

Z=[tL,V∞L,Ttof1,δ01,δ11,Ttof2,δ02,δ12,Ton3,

b1,rp1,b2,rp2,λ01,λ02]T

優(yōu)化指標：J=-mf→min

非線性約束：

1)2049年1月1日的探測器日心距不小于100 AU。

2)行星際轉(zhuǎn)移期間，小推力發(fā)動機關(guān)機處的速度矢量連續(xù)。

上述非線性規(guī)劃問題可以通過遺傳算法、差分進化算法、模擬退火算法等全局優(yōu)化算法求解，在全局優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，再采用序列二次規(guī)劃算法進一步優(yōu)化，從而完成小推力飛行控制策略的優(yōu)化設(shè)計。

3 飛行任務(wù)規(guī)劃分析

3.1 木星借力規(guī)律

探測器脫離太陽系進入宇宙空間所需的第三宇宙速度高達16.7 km/s，對應(yīng)地球發(fā)射C3需求高達154 km2·s-2，目前的運載能力遠遠無法滿足這一需求。因此，為實現(xiàn)2049年飛抵日心距100 AU處，必須通過行星借力的途徑實現(xiàn)。表1給出了太陽系8大行星和冥王星的引力常數(shù)情況，由表1可知，木星是引力常數(shù)最大的一顆行星，且是距離地球最近的一顆可以1次引力甩擺使得探測器飛離太陽系的行星，木星是本次太陽系邊際探測任務(wù)的最佳借力天體。

表1 太陽系各大天體引力和公轉(zhuǎn)半徑Table 1 Gravitational constant and revolution radius of celestial bodies

木星借力之后，探測器以雙曲線軌道逃逸太陽系，若不考慮發(fā)動機工作影響，則其飛行軌跡近似為一條直線，且與日木連線近似垂直，因此，探測器的飛行方向與木星位置(借力日期)密切相關(guān)，不同的木星借力日期，探測器飛行方位不同。圖5給出了不同的木星借力年份對應(yīng)的探測器飛行方位示意圖。由圖5可知：1)2026-2030年之間借力，探測器的飛行方位朝向日球?qū)颖羌夥较颍?)2032-2036年之間借力，探測器的飛行方位朝向日球?qū)游膊糠较颉?/p>

圖5 不同木星借力日期對應(yīng)的探測器飛行方位示意圖Fig.5 Illustration of probes flying directions for different Jupiter’s gravity assist date

3.2 木星借力后行星飛越目標的確定

從行星相位的角度分析，圖6給出了2029-2034年前后木星位置，以及2035-2040年之間土星、天王星、海王星和冥王星的位置情況。由于木星借力后以雙曲線形式逃逸太陽系，若不考慮推力影響，其飛行軌跡近似為與日木連線垂直的一條直線。因此探測器可選的飛行區(qū)域如圖6所示。

圖6 木星軌道以外的行星位置分布Fig.6 Location of planets outside Jupiter’s orbit

由圖6可知，探測器在木星借力之后可飛越的天體僅有海王星或者冥王星。

1)針對日球?qū)游膊刻綔y任務(wù)，可選擇飛越海王星，海王星引力為地球引力的17倍，可對探測器逃逸太陽系形成進一步的加速效應(yīng)。

2)針對日球?qū)颖羌馓綔y任務(wù)，不具備木星以外行星飛越的條件；若必須飛越一顆行星，則建議選擇冥王星，但會犧牲探測器位置方位與鼻尖方位的夾角(接近垂直)；此外，冥王星引力較小，僅為地球引力的2.5%，對太陽系逃逸飛行任務(wù)幫助較小。

3.3 行星借力序列分析

考慮到探測器熱防護問題，應(yīng)避免地球軌道以內(nèi)的行星借力。因此，在地木軌道之間，可選的借力天體僅為地球和火星。

3.3.1日球?qū)颖羌馓綔y

針對日球?qū)颖羌馓綔y任務(wù)，為實現(xiàn)探測器到達100 AU處的位置矢量與鼻尖矢量夾角小于10°的約束，木星借力的日期應(yīng)在2030年之前?？紤]到地木轉(zhuǎn)移窗口的分布，可選的木星借力日期僅有2028年4月和2029年5月，因此，留給地球發(fā)射至木星借力之間的飛行時間較短，不足5年的時間。為縮短木星借力之前的飛行時間，行星的借力次數(shù)不宜太多，考慮到探測器發(fā)射C3約束，木星借力之前應(yīng)再增加一次地球或火星借力，即采用EEJ或EMJ的飛行序列。

若采用EMJ飛行序列，則地火轉(zhuǎn)移窗口決定了整個借力序列的窗口，根據(jù)地火轉(zhuǎn)移發(fā)射能量圖(見圖7)可以很容易得到地球發(fā)射C3小于40 km2·s-2的窗口分布。地火轉(zhuǎn)移軌道包括短轉(zhuǎn)移和長轉(zhuǎn)移，其中短轉(zhuǎn)移表示探測器飛行的日心相角小于180°，其窗口見圖7的下半部分；長轉(zhuǎn)移表示探測器飛行的日心相角大于180°，其窗口見圖7的上半部分。

表2 地木轉(zhuǎn)移窗口分布情況Table 2 Distribution of Earth-Jupiter transfer windows

1)地火短轉(zhuǎn)移。由地火發(fā)射C3能量圖(見圖7)可知，地火短轉(zhuǎn)移的發(fā)射日期集中在2026年10月-2027年1月，飛行時間為4～10個月，因此，火星借力的日期應(yīng)集中在2027年2月-2027年11月；而由火木發(fā)射C3能量圖分布(見圖8)可知火星的借力日期需集中在2028年4月之后。由此可見，地火轉(zhuǎn)移和火木轉(zhuǎn)移的窗口不存在交叉，因此不具備火星借力機會。

2)地火長轉(zhuǎn)移。在地球發(fā)射C3小于40 km2·s-2的約束下，火星借力C3小于105 km2·s-2。而根據(jù)火木轉(zhuǎn)移發(fā)射C3圖可知，火星借力C3小于105 km2·s-2情況下的火木轉(zhuǎn)移時間大于460天，對應(yīng)木星借力的日期在2030年2月之后。而根據(jù)木星借力之后的飛行方位圖(見圖5)可知，探測器到達鼻尖時的位置矢量與鼻尖矢量夾角將大于50°，明顯無法滿足夾角小于10°的需求，因此，針對日球?qū)颖羌馓綔y任務(wù)，火星借力不可取。

圖7 地球-火星發(fā)射C3能量分布圖Fig.7 Earth-Mars launch C3 energy diagram

圖8 火星-木星發(fā)射C3能量分布圖Fig.8 Mars-Jupiter launch C3 energy diagram

綜上分析，日球?qū)颖羌馓綔y任務(wù)應(yīng)采用EEJ的飛行序列。

3.3.2日球?qū)游膊刻綔y

針對日球?qū)游膊刻綔y任務(wù)，木星借力的日期應(yīng)在2032年之后，留給地球發(fā)射至木星借力之間的飛行時間較為充足(大于5年的時間)。除EEJ飛行序列之外，從減小探測器發(fā)射C3的角度考慮，探測器也可以采用2次地球借力的EEEJ飛行序列。此外，為增大任務(wù)的科學(xué)回報，木星借力之后，應(yīng)再進行一次海王星借力。綜上，探測器可選擇EEJ，EEJN和EEEJN三種飛行序列。

表3 EEJ飛行序列下不同發(fā)射日期的軌道優(yōu)化結(jié)果Table 3 Optimal trajectories of EEJ flight series for different launch time

4 星際飛行軌道設(shè)計與優(yōu)化

4.1 EEJ飛行軌道

表3給出了EEJ飛行序列不同發(fā)射日期對應(yīng)的軌道優(yōu)化情況，優(yōu)化結(jié)果與前述分析結(jié)果一致。由表中數(shù)據(jù)可知：針對日球?qū)颖羌馓綔y，滿足任務(wù)需求的窗口出現(xiàn)在2024年9月和2025年10月；針對日球?qū)游膊刻綔y，滿足任務(wù)需求的窗口出現(xiàn)在2030年5月。

其中針對日球?qū)颖羌馓綔y任務(wù)的2025年窗口，由于探測器末端位置矢量與鼻尖矢量夾角為26.3°，不滿足鼻尖探測任務(wù)提出的優(yōu)于10°需求，但是探測器推進劑僅消耗了575 kg，仍有275 kg的余量，可以利用該余量進一步減小該夾角，圖9給出了探測器末端位置矢量與鼻尖矢量夾角隨推進劑余量的變化情況。由圖9可知，當推進劑完全消耗后，可將該夾角減小至6.9°。取該夾角為10°時，對應(yīng)的推進劑余量為53 kg。

圖9 末端位置矢量與鼻尖矢量夾角調(diào)整能力Fig.9 Probe’s ability of adjusting the angle between the end position vector and the nasal tip

圖10給出了不同發(fā)射日期對應(yīng)的EEJ飛行軌道示意圖以及海王星和冥王星方位。由圖10可知：針對2026年12月26日的軌道，可以微調(diào)木星借力日期，以較小代價實現(xiàn)冥王星探測；從探測器飛行軌道距離海王星遠近的角度考慮，最容易實現(xiàn)海王星飛越的窗口為2029年1月20日，其后依次為2030年5月10日和2027年12月15日。

下面重點對EEJP和EEJN兩種飛行序列進行優(yōu)化分析。

4.2 EEJ-N/P飛行軌道

根據(jù)圖10可知，以EEJ飛行序列為基礎(chǔ)，可對冥王星和海王星進行飛越探測，其中2027年的窗口可飛越冥王星；2028年、2029年和2030年的窗口可飛越海王星，這與第3.2節(jié)的分析結(jié)論一致。表4給出了不同發(fā)射日期對應(yīng)的EEJ-N/P軌道優(yōu)化結(jié)果。

圖10 EEJ序列下不同發(fā)射日期的飛行軌道示意圖及行星位置Fig.10 Illustration of the optimal trajectories for EEJ flight series and planets location

表4 EEJ-N/P飛行序列下不同發(fā)射日期的軌道優(yōu)化結(jié)果Table 4 Optimal trajectories of EEJ-N/P flight series for different launch time

由表4可知：

1)EEJP序列最優(yōu)的發(fā)射日期在2027年1月17日前后，可在2049年1月1日前到達103 AU，共消耗654 kg推進劑，但是探測器末端矢量與鼻尖夾角高達80°，無法滿足日球?qū)颖羌饣蛭膊刻綔y的夾角需求。

2)EEJN序列最優(yōu)的發(fā)射日期在2029年3月30日前后，且滿足日球?qū)游膊刻綔y任務(wù)的發(fā)射、推進劑和夾角等約束條件，而2028年和2030年的發(fā)射窗口則不滿足推進劑約束，這與圖10所展示的EEJ飛行軌道和行星方位分布結(jié)論一致。

4.3 EEJN飛行軌道改進

由表4可知，日球?qū)游膊刻綔y最優(yōu)的海王星借力日期在2037年9月左右。為達到這一最優(yōu)的海王星借力條件，且將發(fā)射日期提前，可對EEJN飛行軌道進行改進。主要改進途徑有如下4條：

1)在2028年2月19日的EEJN飛行軌道基礎(chǔ)上，將探測器的推進劑攜帶量增至1450 kg，使其總質(zhì)量達到3400 kg。

2)地球發(fā)射至地球借力之間多飛一圈，即將EE飛行時間增大約一倍。

3)在地球借力之前再引入一次地球借力，即采用兩次地球借力的EEEJN的飛行序列。

4)在2029年3月30日的EEJN飛行軌道基礎(chǔ)上引入一次火星借力，即采用EMEJN飛行序列。

上述四條途徑均可將地球發(fā)射日期提前，表5給出了EEJN改進軌道的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。

由表5可知：

1)采用改進途徑1，探測器入軌的總質(zhì)量為3400 kg，則消耗1250 kg的推進劑即可實現(xiàn)日球?qū)游膊刻綔y任務(wù)，且滿足尾部探測器的各項任務(wù)約束。

2)針對改進途徑2，EE飛行時間由原來的663天(約1.82年)延長至1733天(約4.75年)，且發(fā)射C3需求增加至40 km2·s-2。探測器消耗800 kg燃料，可在2049年1月1日到達101 AU，滿足任務(wù)各項約束條件。但是，與2029年3月30日的EEJN方案相比，該方案僅將發(fā)射日期提前至了2027年，其他條件并不如2029年3月發(fā)射的方案。

3)針對改進途徑3，增加一次地球借力并沒有進一步減小推進劑需求，反而增加了推進劑消耗，顯得得不償失。但是，可以極大地減小運載發(fā)射C3需求(由30 km2·s-2減小至0～5 km2·s-2)，對應(yīng)探測器的推進劑攜帶量可增至1450 kg，使其總質(zhì)量達到3400 kg，則探測器消耗1286 kg的推進劑即可實現(xiàn)日球?qū)游膊刻綔y任務(wù)。

4)針對改進途徑4，EMEJN飛行序列將發(fā)射日期提前到了2028年12月27日，且發(fā)射C3減少至20 km2·s-2，對應(yīng)探測器初始質(zhì)量可提高至3400 kg，極大地提高了探測器剩余質(zhì)量。

5 結(jié) 論

文章針對太陽系日球?qū)颖羌夂臀膊刻綔y任務(wù)進行了規(guī)劃分析，并對星際轉(zhuǎn)移軌道飛行方案進行了優(yōu)化設(shè)計，表6給出了滿足任務(wù)約束的星際飛行序列。

設(shè)計結(jié)果表明：

1)滿足鼻尖探測任務(wù)需求的飛行序列為EEJ，發(fā)射窗口位于2024-2025年。

2)滿足尾部探測任務(wù)需求的飛行序列可選EEJ,EEJN,EEEJN和EMEJN四種，發(fā)射窗口位于2027-2030年。

其中，日球?qū)颖羌馓綔y任務(wù)與旅行者號相比，探測器在100 AU處的赤經(jīng)、赤緯以及探測區(qū)域分布分別見表7和圖11。旅行者號探測區(qū)域位于日球?qū)颖羌鈪^(qū)的北邊界和西南邊界處，本次日球?qū)颖羌馓綔y任務(wù)位于鼻尖中心區(qū)域，可與旅行者號探測器形成有效互補。后續(xù)，探測器系統(tǒng)需根據(jù)鼻尖區(qū)域的空間環(huán)境做好防護設(shè)計。

表7 探測器在100 AU處的赤經(jīng)赤緯及與旅行者號對比Table 7 Probe right ascension and declination at 100 AU comparison between nasal tip explore misson and Voyager

圖11 日球?qū)颖羌馓綔y任務(wù)對比情況Fig.11 The detection area comparison between nasal tip explore misson and Voyager

文章給出的飛行軌道設(shè)計方案能夠為太陽系邊際多目標探測任務(wù)實施提供參考，所采用的設(shè)計思路，可為太陽系邊際探測的自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)提供基礎(chǔ)。