Planning constellations of small satellites around Io

Abstract

The aim of this investigation was to study and map the initial orbital conditions around Io for the implementation of a constellation of small satellites. The most relevant dynamic scenario was considered. The study used two approaches: analytical and numerical. Previous studies have shown that, due to intense disturbance from Jupiter, probes around Io generally have a short lifetime. This scenario hinders the implementation of constellations. The best conditions were mapped considering inclination, semi-major axis, and longitude of the ascending node. The non-sphericity of Io, its ellipticity (C22), and flattening (J2) were considered. The third-body perturbation from Jupiter, Europa, Callisto, and Ganymede was also included. This mapping was performed using the IAS15 integrator for a total integration time of 2.5 years, with 20 radius of Io as the criterion for escape. Still, in all other simulations, the Hill radius was adopted. Orbits that survived the total integration time were obtained. Still, when considering orbits with an initial semi-major axis greater than 2.0 radius of Io, the altitude varied significantly throughout the analysis period, meaning that if the constellations were implemented in these conditions, the probe would not maintain an average altitude relative to each other within the same constellation. In this sense, the study of frozen orbits was an option to be applied. For the study of frozen orbits, a simplified dynamic scenario was considered, excluding Galilean satellites and the ellipticity of Io, but including their third and fourth-order zonal harmonics. The results showed the existence of frozen orbits, with initial conditions that maintained acceptable altitude control for implementing low-altitude constellations, following numerical validation performed with IAS15, considering the complete dynamical scenario. Two constellation configurations were then proposed, with the objective of observing the paterae Loki, Fuchi, Amaterasu, and Surt. Probes in these constellations have quasi-circular orbits, with initial altitudes under 800 km, inclinations under 48 degrees, and argument of pericenter of 270 degrees. The constellation at 600 km performed best, and Loki, being the target nearest to the equator of Io, was most frequently observed.

O objetivo deste trabalho foi estudar e mapear as condições orbitais iniciais em torno de Io para a implementação de uma constelação de pequenos satélites. Foi considerado o cenário dinâmico mais relevante. O estudo utilizou duas abordagens: analítica e numérica. Estudos anteriores demonstraram que, devido à intensa perturbação de Júpiter, as sondas em torno de Io geralmente têm uma vida útil curta. Esse cenário dificulta a implementação de constelações. As melhores condições foram mapeadas considerando a inclinação, o semieixo maior e a longitude do nó ascendente. A não esfericidade de Io, sua elipticidade (C22) e achatamento (J2) foram considerados. A perturbação de terceiro corpo de Júpiter, Europa, Calisto e Ganimedes também foi incluída. Esse mapeamento foi simulado usando o integrador IAS15 para um tempo total de integração de 2,5 anos, com 20 raios de Io como critério de escape. No entanto, em todas as outras simulações, o critério de escape utilizado foi o raio de Hill. Foram obtidas órbitas que sobreviveram ao tempo total de integração. Entretanto, ao considerar órbitas com um semieixo maior inicial superior a 2,0 raios de Io, a altitude das sondas apresentaram uma variação significativa ao longo do período de analisado, significando que, caso as constelações fossem implementadas nessas condições, as sondas não manteriam uma altitude média relativa entre si. Nesse sentido, o estudo de órbitas congeladas mostrou-se uma opção viável a ser aplicada. Para o estudo de órbitas congeladas, foi considerado um cenário dinâmico simplificado, excluindo os satélites galileanos e a elipticidade de Io, mas incluindo seus harmônicos zonais de terceira e quarta ordem. Os resultados mostraram a existência de órbitas congeladas, com condições iniciais que mantinham um controle de altitude aceitável para a implementação de constelações de baixa altitude, após validação numérica realizada com o IAS15, considerando o cenário dinâmico completo. Duas configurações de constelações foram então propostas, com o objetivo de observar as crateras vulcânicas Loki, Fuchi, Amaterasu e Surt. As sondas nessas constelações apresentaram órbitas quase circulares, com altitudes iniciais abaixo de 800 km, inclinações abaixo de 48 graus e argumento do pericentro de 270 graus. A constelação a 600 km obteve o melhor desempenho, e Loki, o alvo mais próximo do equador de Io, sendo o mais frequentemente observado.