惑星大気の不確実性の比較研究 および航空捕獲ミッションの設計ルール

惑星大気の不確実性の比較研究 および航空捕獲ミッションの設計ルール
概要
Aerocapture は大気抵抗を利用して宇宙船を減速し、軌道挿入を達成します。 それに伴う重大なリスクの 1つは、
Aerocapture は、特に大気密度の不確実性です。
外惑星。 この論文は大気の比較研究を行っています。
不確実性を明らかにし、航空捕獲ミッションの設計ルールを提供します。 の
金星、火星、タイタンの大気はよく特徴付けられています。
エンジニアリング目的。 航空撮影に関連する高度範囲では、3σ
密度変動は、金星、火星とタイタンではそれぞれ約±30%、±50%、±30%です。
現場データがないため、天王星の大気と
海王星は他の天体ほど特徴がありません。 天王星および Neptune両方にとって
の場合、GRAM スイートは 3σ の密度変化を提供します。
関連する高度範囲では約 ±30% と考えられます。
楽観的な見積もり。 大気探査機による現場データが得られるまで
利用可能な場合は、より控えめな全体的な最小値と最大値の推定値を推奨します。
最悪のシナリオに対応します。 この研究では、次のようなグラフが示されています。
を考慮する際の最適な進入飛行経路角度の選択方法
大気の不確実性を考慮して、船上でのガイダンスが適切に提供されていることを確認します。
エアロキャプチャ後の望ましい終了状態をターゲットにするための最良の初期状態。
キーワード: 惑星大気、GRAM、不確実性、航空捕獲
I.はじめに
水星を除いて、太陽系のすべての惑星の目的地と土星の衛星タイタンは、
重要な大気[1]。 熱く厚い金星の CO2 大気から、冷たい氷の H2-He 大気まで
天王星と海王星、これらの物理的構造と化学組成には大きな多様性が存在します。
大気層[2]。 これらの大気中の希ガスの存在量や同位体比などの測定は、
これは、太陽系の起源、形成、進化を理解する上で非常に重要です [3]。 の存在
大気により、これらの目的地は空気のない天体よりも根本的に興味深いものになります。
気候を維持し、嵐や降雨などの気象現象、およびこれらを形成する侵食プロセスを誘発します。
遺体[4、5]。 科学的重要性に加えて、大気は工学的にも重要な関心を持っています。
惑星ミッション。 これまでの惑星突入ミッションはすべて、速度を落とすために大気による抵抗を利用してきました。
探査機と着陸船を降下させます[6、7]。 飛行したことはありませんが、関連する航空捕捉技術を図 1 に示します。
大気抵抗を利用して宇宙船を減速し、軌道投入を達成するこの方法は、将来のミッションにとって非常に興味深いものです。
太陽系全域 [8、9]。 航空捕獲に関する重大なリスクの 1 つは、大気中の不確実性です。
密度、特にその大気のグラウンドトゥルースとしての現場測定値が存在しない外惑星の密度
エンジニアリングモデル [10]。 この論文では、NASA の全地球基準大気モデル (GRAM) を使用して、
大気の不確実性の比較研究を行い、航空捕獲ミッションの設計ルールを提供します。


図 1. 航空捕獲機動の概略図。

II. 構造と化学組成
図 2 は、航空捕獲の対象となる大気の範囲と化学組成を示しています。
ミッション。 地球型惑星である金星と火星には、約 120km に及ぶよく理解された大気があり、ほぼ完全にCO2で構成されています。 重力が低いタイタンには、1000km 近くまで続く厚い N2大気がある
その表面の上に。 ホイヘンス大気構造計器 (HASI) による現場測定により、
タイタンの大気の構造と組成 (CH4 質量分率) は現在、工学目的でよく理解されています。
[11]。 木星と土星は、極端な突入速度と厳しい空気熱のため、この研究では考慮されていません。
環境によっては航空撮影が現実的ではなくなります[12]。 巨大な氷の惑星である天王星と海王星には主に H2-He が含まれています。
赤色を吸収し、独特の青緑色を与える CH4 が少量含まれている大気です。
氷の巨大大気の唯一の測定は、ボイジャーのフライバイからのリモートセンシング観測であり、
大気中を通過して地球で受信した信号を使用した電波科学実験。 現場での測定が欠如しているため、大気の制約が最も少なく、不確実性が最も大きく、
航空捕獲の潜在的なリスク。 CH4 の質量分率も空気熱力学に影響を及ぼし、追加の影響を与える可能性があります。
加熱速度の不確実性が発生します。 大気探査機が天王星の大気圏に突入するまで、潜在的には
2040年代になっても、巨大な氷の大気についての私たちの理解は依然として比較的貧弱であり、大きな不確実性を伴うでしょう。


図 2. さまざまな惑星大気の範囲と化学組成。

Ⅲ． 大気の不確実性の影響
Aerocapture には、図 1 に示すように、突入、大気圏飛行、および脱出が含まれます。遭遇した密度プロファイルは次のとおりです。
大気圏飛行中は軌道に大きな影響を与えるため、飛行中に予想される不確実性を理解する必要があります。
密度プロファイルは、将来のミッションにもたらすリスクを評価するために非常に重要です。 車両の進入が浅すぎる場合
または、予想される最小密度よりも密度が低い大気に遭遇した場合、宇宙船は大気圏を離脱する可能性があります。
図 3 に示すように、車両が急勾配に進入する場合、または密度が非常に高い場合は、捕捉されません。
予想されるように、車両が速度を出しすぎて大気圏を抜けられなくなる可能性があります。 上記はどちらも望ましくないものです
ミッションの完全な喪失につながるシナリオであるため、ガイダンスのために適切なマージンを提供する必要があります
配送誤差や空気力学的な不確実性に加えて、これらの大気の不確実性に対するシステムの強化も可能です [13]。 の
理論的廊下幅 (TCW) は、廊下の幅を定量化する有用な概念であり、大きくなければなりません。
配送や大気の不確実性を考慮するのに十分であり、また、十分な安全マージンも提供します。
限られたシナリオ（浅い突入と薄い大気の組み合わせなど）でもミッションを成功させることができます。 NASAは
は、すべての惑星大気に対するエンジニアリング モデルを提供するための統合ツールとして GRAM Suite を開発しました [14]。 の
火星と金星の大気はあらゆる工学的目的に対して十分に制約されており、大気の不確実性も考慮されています。
氷の巨大大気の制約は大幅に緩和されます。 紙の残りの部分は、
GRAM モデルは、さまざまな目的地における大気の不確実性の定量的研究を実行します。


図 3. Aerocapture の理論上のコリドー幅の図。

IV. 金星
金星は私たちに最も近い惑星であり、その大気を利用した航空捕獲は、次の方法を使用して実現可能であることが示されています。
揚力と抗力の両方の調整 [15]。 しかし、金星では昇温速度が大きいため、揚力調節は魅力的ではありません。 引っ張る
より低い加熱速度による変調は、特に小さな衛星軌道への挿入に魅力的であり、
近年、低コストミッションの文脈で広く研究されています[16、17]。 ドラッグモジュレーションエアロキャプチャー
金星は、独立した小型衛星を低円軌道に挿入することが提案されている [18, 19]。
ニューフロンティアまたはフラッグシップミッション[20]の一部、および金星の雲層からの将来のサンプルリターンミッション
[21]。 ベネラとパイオニアの金星突入探査機から得られた豊富な現場データのおかげで、金星の大気は
Venus-GRAM からの密度は、あらゆる工学目的に対して実質的に十分に特徴付けられています [22]。 Venus-GRAM が提供するのは、
平均、低密度、高密度 (1σ) 値。 図4（左）は最小値、平均値、最大値（3σ）を示しています。
金星-GRAMからの高度の関数としての密度プロファイル。 100 ～ 120km の日陰の高度帯が最も多くの場所です。
減速の割合は金星の航空撮影で発生するため、不確実性の定量化の点で最も関連性があります。
図 4 の結果は、特定の場所 (緯度、経度) と時間 (年、月、日) のみに関するものであることに注意してください。
ただし、その結果は、あらゆる場所で予想される不確実性の合理的な推定値を提供すると期待されています。
時期。 図 4 (右) は、平均からの偏差 (3σ) のパーセンテージを高度の関数として示しています。 図4
航空撮影に関連する 100 ～ 120km の高度範囲では、予想される 3σ 密度変動は次のようになります。
約±30%。 金星の航空捕獲コンセプトは、これらの不確実性を考慮して成功を実証する必要があります。


図 4. Venus-GRAM からの密度プロファイル (左) と公称値からの偏差パーセント (右)。
IX. 結論
この論文では、GRAM スイートを使用して大気の不確実性の比較研究を実行し、次の情報を提供しました。
航空捕獲ミッションの設計ルール。 金星、火星、タイタンの大気はよく特徴付けられています。
現場データが利用できるため、エンジニアリング目的。 航空撮影に関連する高度範囲では、3σ
密度の変動は、金星、火星、タイタンでそれぞれ約 ±30%、±50%、±30% です。 現場データがないので、
天王星と海王星の大気はそれほど特徴がありません。 天王星と海王星の両方の場合、GRAM スイート
3σ の密度変動は約 ±30% ですが、これは「楽観的な」推定値であると考えられます。
FMINMAX の全範囲を考慮すると、高度200 ～ 400km の範囲におけるより「控えめな」密度変化は次のようになります。
(0.1x、3x) ここで、x は乗算係数を示します。 大気探査機による現場データが利用可能になるまで、
ミッションコンセプトの研究では、最悪のシナリオとして、より控えめな見積もりが推奨されます。 研究
大気の不確実性を考慮した場合に最適なEFPAを選択するためのグラフィカルな方法を提示しました。
オンボード ガイダンスに、望ましい終了状態を目標とする最良の初期状態が与えられるようにします。