Stable low-altitude polar orbits around Europa

Abstract

Abstract-In this paper, a search for low-altitude orbits around Europa is performed. An emphasis is given in frozen orbits. These orbits are used in the planning of aerospace activities to be conducted around this planetary satellite, with respect to the stability of orbits of artificial satellites. The study considers orbits of artificial satellites around Europa under the influence of the third-body perturbation (the gravitational attraction of Jupiter) and the polygenic perturbations. These last ones occur due to forces such as the non-uniform distribution of mass (J2 and J3) of the main (central) body. A simplified dynamic model for these perturbations is used. The Lagrange planetary equations, which compose a system of nonlinear differential equations, are used to describe the orbital motion of the artificial satellite around Europa. The equations of motion are developed in closed form to avoid expansions in power series. Low-altitude polar orbits and frozen orbits with long lifetimes were found. This study can be used for planning of future space missions which seek to visit Europa and other planetary satellites.Keywords-Astrodynamics and Orbital Mechanics, Frozen orbits, Planetary Satellite, Europa, Singleaveraged method.Resumo-Neste trabalho, uma busca porórbitas de baixa altitude em torno de Europaé realizada. Umâ enfaseé dada emórbitas congeladas. Estasórbitas serão utilizadas no planejamento de atividades aeroespaciais a serem conduzidas em torno deste satélite planetário, no que diz respeitoà estabilidade deórbitas de satélites artificiais. O estudo leva em consideraçãoórbitas de satélites artificiais em torno de Europa sob a influência da perturbação de terceiro corpo (a atração gravitacional de Júpiter) e das perturbações devidasàs forças poligênicas. Estasúltimas ocorrem devidoàs forças tais como a distribuição não uniforme de massa (J2 e J3) do corpo principal (central). Aquié utilizado um modelo dinâmico simplificado para essas perturbações. As equações do movimento são desenvolvidas em forma fechada para evitar expansões em séries de potência.Órbitas polares de baixa altitude eórbitas congeladas com tempos de vida longos foram encontradas. Este estudo pode ser utilizado para o planejamento de futuras missões espaciais que pretendem visitar Europa e outros satélites planetários.Palavras-chave-Astrodinâmica e Mecânica Orbital,Órbitas Congeladas, Satélite Planetário, Europa, Mé-todo da média simples. IntrodutionEuropa is one of the four largest moons of Jupiter. It is one of the planetary satellites of greater interest at the present moment among the scientific community. In the last years are being planned some missions to visit Europa. As an example, we can cite the Jupiter Europa Orbiter (JEO, NASA) and the Jupiter IcyMoon Explorer (JUICE, ESA). Several papers have contributed to a better understanding of the dynamics involved in this type of mission (see for example Scheeres et al., 2001;Prado, 2003;Paskowitz & Scheeres, 2005a, 2005b Lara & Russel, 2006, 2007Domingos et al., 2008;Carvalho et a...

Frozen Orbits Construction for a Lunar Solar Sail

“…Zhigang et al (2014) determined the initial conditions that minimize the variation of the orbital plane for nearly circular orbits with a semi-major axis 3-10 times the Earth's radius. Santos et al (2013) searched for frozen orbits through some missions around planetary satellites, like Jupiter's moons Europa and Icy, and studied their stability. Masoud et al (2018Masoud et al ( , 2019 discussed six control strategies to construct artificial frozen orbits and sun-synchronous orbits around the Earth.…”