首个土星特洛伊小行星2019 UO$_{14}$的任务分析

2024年中期，小行星2019 UO$_{14}$通过地面档案观测和数值模拟被确认为首个土星特洛伊小行星。特洛伊小行星，包括与木星和其他行星相关的，引发了关于太阳系形成过程的重要问题。用航天器探索这颗特洛伊小行星可能为这些问题提供直接答案和确凿证据。本文深入研究了前往首个土星特洛伊小行星2019 UO$_{14}$的潜在任务方案，以确定必要的发射窗口和航天器规格。首先，通过假设使用化学引擎的弹道飞行，通过元启发式全局轨迹优化算法确定了最优的事件序列，包括（动力）重力辅助机动和深空机动。分析表明，在11年任务时长内，飞越探测在2034年左右发射窗口可行，ΔV范围为92 m/s至1041 m/s；而交会可在2035年左右出发实现，ΔV为2-3 km/s。具体而言，经由土星的路线需要ΔV为2 km/s，飞行时间为24.6年；而经由木星的路线导致ΔV为3 km/s，飞行时间为13.4年。鉴于外太阳系天体的轨道运动相对缓慢，逐渐加速航天器的低推力推进被证明是有效的。因此，研究了前往2019 UO$_{14}$的低推力轨迹。结果表明，交会可以在几乎相同的出发历元、飞行时间和ΔV下实现，与弹道飞行相当，表明低推力推进与交会场景高度兼容，因为它显著降低了推进剂质量分数。