background image

 

 
 

 
 
 
 
 
 

Jupiter Icy Moons Orbiter 

Interplanetary Injection Period Analysis 

 

Theresa D. Kowalkowski, Julie A. Kangas,  

and Daniel W. Parcher 

Jet Propulsion Laboratory 

California Institute of Technology 

Pasadena, California 

 
 

 
 
 
 

 
 

 

Paper AAS 06-xxx

 

16

th

 AAS/AIAA Space Flight 

Mechanics Conference

 

Tampa, Florida 

January 22-26, 2006 

 

AAS Publications Office, P.O. Box 28130, San Diego, CA 92198 

background image

 

AAS 06-xxx 

 
 

JUPITER ICY MOONS ORBITER INTERPLANETARY INJECTION 

PERIOD ANALYSIS 

 

Theresa D. Kowalkowski,

*

 Julie A. Kangas,

†

 and Daniel W. Parcher

‡ 

 

This paper investigates the sensitivity of the planned Jupiter Icy Moons Orbiter 
mission  to  variations  in  interplanetary  injection  date,  magnitude,  and  direction, 
starting in a low-Earth assembly orbit.  These results are used to determine the 
frequency  and  number  of  injection  opportunities  from  a  precessing  assembly 
obit.  It is shown that the use of a low-thrust propulsion system with a nuclear-
electric  power  source  would  allow  the  interplanetary  trajectory  performance  to 
be relatively insensitive to variations in injection conditions.  This result yields 
many  injection  opportunities  due  to  the  long  injection  period  and  consecutive 
orbits with favorable geometry. 

 
 
INTRODUCTION 
 

The proposed Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO) mission would employ a nuclear-electric propul-

sion (NEP) system to both rendezvous with Jupiter and explore three of its â€œicy” satellites: Callisto, Gany-
mede,  and  Europa.    It  is  well-documented  that  highly-efficient  electric-propulsion  systems  allow  inter-
planetary missions to deliver more mass and/or reduce the flight times to their targets.

1-12

  The NEP system 

is an enabling technology for the planned JIMO mission because of the mission’s high âˆ†V requirements.

 

 

The JIMO architecture considered here calls for multiple launches into a low-Earth assembly orbit.  

After assembly completion, the spacecraft  would inject to a positive Earth-departure energy (C

3

).  In this 

paper, we investigate the mass-performance impact of varying the interplanetary injection date on four dif-
ferent trajectories: 6-year direct, 7.5-year direct, 6-year Earth gravity assist, and the JIMO Reference Tra-
jectory representation (a 5.5-yr direct case).  Next, we explore the effects of variations in the injection burn 
direction and magnitude.  Finally, these results are used to ascertain the frequency and number of injection 
opportunities from the precessing assembly orbit. 
 
 

DEFINITIONS AND MODELS 
 

The term 

injection

 refers to the departure from the assembly orbit onto an interplanetary trajectory. 

The 

injection period

 is defined as the  number of consecutive days during  which the  spacecraft can inject 

                                                            

*

   Member  of  Engineering  Staff;  Guidance,  Navigation,  and  Control  Section;  Jet  Propulsion  Laboratory,  California  Institute  of 

Technology, Mail Stop 301-150, 4800 Oak Grove Drive, Pasadena, California, 91109-8099.   

E-mail: Theresa.D.Kowalkowski@jpl.nasa.gov.  Phone: (818) 354-4699.  Fax: (818) 393-7116. 

†

   Senior Member of Engineering Staff; Guidance, Navigation, and Control Section; Jet Propulsion Laboratory, California Institute of 

Technology, Mail Stop 301-150, 4800 Oak Grove Drive, Pasadena, California, 91109-8099.   
E-mail: Julie.A.Kangas@jpl.nasa.gov.  Phone: (818) 354-8285.  Fax: (818) 393-7413. 

‡

   Member  of  Engineering  Staff;  Guidance,  Navigation,  and  Control  Section;  Jet  Propulsion  Laboratory,  California  Institute  of 

Technology, Mail Stop 230-205, 4800 Oak Grove Drive, Pasadena, California, 91109-8099.   

E-mail: Daniel.W.Parcher@jpl.nasa.gov.  Phone: (818) 393-0457.  Fax: (818) 393-4215. 

 

background image

 

and still deliver sufficient mass to Jupiter.  This is analogous to a conventional launch period, but the pro-
posed JIMO architecture requires the distinction between launch and injection because the spacecraft could 
spend a substantial amount of time in the assembly orbit (weeks or more). 

 
We define the 

injection vector sensitivity

 to be the effects of deviations in the magnitude and di-

rection of the injection burn  from their optimized values.   Although  we do  not  model the finite burn,  we 
introduce dispersions in the optimal values of the Earth departure V

∞

 (hyperbolic excess velocity) vector. 

 
Finally, an 

injection opportunity

 is defined as each time the spacecraft and the assembly orbit are 

aligned  in  the  proper  injection  direction,  within  a  specified  tolerance.    Because  the  node  of  the  assembly 
orbit precesses around the Earth, not every orbit will have an injection opportunity. 

 
The  spacecraft  is  assumed  to  have  a  180  kW  nuclear  power  supply  with  a  7000  second  specific 

impulse (Isp) and an efficiency of 70% (corresponding to 3.67 N of thrust and a 5.35x10

-5

 kg/s mass flow 

rate).  The spacecraft is constrained to coast for 60 days after injection for reactor commissioning.  When 
the initial mass and departure energy are optimized, the injection vehicle curve shown in Figure 1 is used.   

 

27500

30000

32500

35000

37500

40000

42500

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

 Departure C

3

 (km

2

/s

2

)

In

je

c

te

d

 M

a

s

s

 (

k

g

)

 

Figure 1 â€“ Injection vehicle performance curve 

 
The majority of the trajectory optimization studies in this paper were performed with the Mission 

Analysis Low-Thrust Optimization program (MALTO).  MALTO is a patched-conic propagator that mod-
els  low-thrust  arcs  as  a  series  of  small,  impulsive  maneuvers  and  maximizes  the  final  mass  of  the  space-
craft.

13

    The  only  forces  modeled  are  the  sun’s  gravity  and  the  spacecraft  thrust.    No  other  bodies  have 

mass,  and  solar  radiation  pressure  is  not  included.    For  rendezvous  with  Jupiter,  the  spacecraft  matches 
Jupiter’s  position  and  velocity,  but  the  planet  itself  has  no  gravitational  pull.    Earth  departure  is  from  a 
massless Earth, and gravity-assist maneuvers are modeled as instantaneous rotations of the V

∞

 vector. 

 
A few select analyses were carried out using Mystic, a low-thrust trajectory optimization tool that 

also maximizes the final mass of the spacecraft.

14

  Mystic fully integrates trajectories with low-thrust arcs 

modeled as a series of continuous-thrust segments.  The thrust has a constant magnitude and direction over 
a given segment.  In these studies, the forces modeled are the Sun’s gravity, Mars’s gravity, Jupiter’s grav-
ity, (with no oblateness for any of the planets) and the spacecraft thrust.  Earth’s gravity was not modeled; 
the  trajectory  starts  at  the  center  of  the  massless  Earth  (as  in  the  MALTO  analyses).    No  solar  radiation 

background image

 

pressure  was  modeled,  either.    Mystic  targeted  a  final  distance  from  Jupiter  of  less  than  2,000,000  km  at 
less than 0 km

2

/s

2

 two-body energy with respect to Jupiter.   

 
Although it is a lower-fidelity tool than Mystic, MALTO’s speed and ease of use makes it particu-

larly well-suited to performing parametric studies.  We will show that the results from MALTO are some-
what conservative relative to Mystic but the MALTO findings are an excellent indicator of trends and over-
all behavior. 

 
For the investigation of injection opportunities, a representative assembly orbit of 400 km altitude 

and inclination of 28.5Âș was propagated with a 50x50 Earth gravity field.  The initial right ascension of the 
ascending node (RAAN) was chosen such that the first injection opportunity would be available soon after 
the open of the injection period. 

 
 

TRAJECTORY CASES

 

 

Although the planned JIMO  mission assumed a baseline trajectory, called the  Reference Trajec-

tory,

15

 we present results from three additional trajectory types.  Many of the analyses on these other trajec-

tories preceded and influenced the selection of the Reference Trajectory type.  In addition, the results pre-
sented here are documented for the sake of potential future mission design efforts. 

 
Three  of  the  four  representative  trajectories  in  this  paper  use  the  injection  vehicle  performance 

curve given in Figure 1.  The fourth trajectory assumes a bounded departure C

3

 magnitude and mass, dis-

cussed below.  All four trajectories were optimized assuming a fixed flight time, but the software optimized 
the injection and arrival dates, the injection vector, and the corresponding initial mass.  Each trajectory is 
assigned a case number for the sake of discussion, but no priority is implied by the numbering scheme.   

 
The trajectory designated Case 1 is a 6-year direct case to Jupiter with a little more than 1.5 helio-

centric revolutions (see Table 1).  Case 1 has only one optimal coast arc and the rest of the time is spent 
thrusting (Figure 2).  Case 2 is also a direct trajectory but with a 7.5-year flight time and just under 2.5 so-
lar revolutions.  This case has two optimal coasting arcs: the first is after about 1.5 revolutions, and the sec-
ond is prior to the Jupiter-rendezvous thrust period. 

 

Table 1 â€“ Summary of trajectory characteristics 

Case  Software 

Traj. 
Type 

Revs. 

Flight 

Time 

(yrs) 

Optimized 

Injection 

Date 

Optimized 

Arrival 

Date 

Injection 

C

3

 

(km

2

/s

2

Injection 

Mass 

(kg) 

Arrival 

Mass 

(kg) 

MALTO 

Direct 

1.5 

10/20/2015  12/20/2021 

5.06 

37,925 

30,451 

MALTO 

Direct 

2.5 

7.5 

12/21/2014  06/21/2022 

0.33 

40,932 

32,471 

MALTO 

EEJ 

2.5 

02/19/2015  02/19/2021 

2.73 

39,385 

32,945 

4a 

Mystic 

Direct 

1.5 

5.5 

12/09/2015  06/10/2021 

10.0 

36,000 

30,886 

4b 

MALTO 

Direct 

1.5 

5.7 

12/26/2015  09/19/2021 

10.0 

36,000 

29,957 

 
The  Case  3  trajectory  is  the  final  trajectory  that  uses  the  injection  vehicle  performance  curve.  

This trajectory has a 6-year time of flight, like Case 1, but it includes an Earth gravity assist, making it an 
Earth-Earth-Jupiter  (EEJ)  trajectory.    The  trajectory  is  referred  to  as  a  3:2i  trajectory

11

  because  there  are 

approximately  three  Earth  revolutions  during  the  nearly  two  spacecraft  revolutions  on  the  Earth-Earth 
transfer,  and  the  Earth  flyby  occurs  when  the  spacecraft  is  moving  inbound  toward  the  Sun,  as  shown  in 
Figure  2.    The  spacecraft  was  constrained  to  an  Earth  flyby  radius  of  at  least  7000  km.    After  the  Earth 
gravity assist, there is roughly half a revolution on the Earth-Jupiter leg.  

background image

 

 

 

Figure 2 â€“ Trajectory Cases 1-3.  Case 1 is a 6-year direct trajectory, Case 2 is a 7.5-year 

direct trajectory, and Case 3 is a 6-year Earth-Earth-Jupiter (EEJ) trajectory. 

 

The last trajectory is Case 4, and it is a representation of the interplanetary portion of the proposed 

JIMO Reference Trajectory.

15

  This trajectory does not use the injection vehicle curve given in Figure 1 but 

instead has a constrained injection energy and mass.  The JIMO architecture assumed for Case 4 has upper 
stages  capable  of  injecting  36,000  kg  to  C

3

=10  km

2

/s

2

.    Since  the  planned  launch  vehicle  would  only  be 

able  to  loft  a  36,000  kg  spacecraft  into  the  assembly  orbit,  injecting  to  a  lower  C

3

  could  not  result  in  a 

higher initial mass.  The optimization programs described above were free to use a lower energy, but lower 
injection energies did not yield a greater initial mass. 

 

Case 4 is a direct trajectory and is subdivided into Cases 4a and 4b (see Figure 3).  Case 4a was 

generated  using  Mystic,  the  high-fidelity  low-thrust  optimization  tool,  and  was  constrained  to  a  5.5-year 
flight time.  Case 4b was produced with MALTO and was crafted to resemble the Mystic representation in 
terms of optimal coast arcs and thrusting periods.   

 

 

Figure 3 â€“ Mystic (4a) and MALTO (4b) representations of the Reference Trajectory 

 
Case 4b is allowed a longer flight time (5.7 years) and an arrival V

∞

 magnitude of 0.5 km/s to ac-

commodate the two major differences between MALTO and Mystic in the Jupiter arrival models and con-
straints.  First, MALTO requires an exact match in position with Jupiter, but a non-zero V

∞

 magnitude can 

be permitted (positive energy).  Mystic, on the other hand, allows the spacecraft to be 2,000,000 km from 
the center of Jupiter at the trajectory’s end state, but  the two-body energy  with respect to Jupiter  was re-

background image

 

quired to be less than or equal to 0 km

2

/s

2

.  Second, Mystic models Jupiter’s gravity while MALTO does 

not.   

 
Hence, Case 4b uses different constraints than Case 4a, but both trajectories exhibit very similar 

thrust profiles, which was desired to yield comparable sensitivities to injection conditions.  While Case 4b’s 
final mass is lower than Mystic’s (Table 1), it is shown in a later section that the sensitivity to the injection 
vector is quite similar for both. 

 
 
INJECTION PERIOD 
 
Approach

 

 

The objective behind a launch period analysis is to determine the sensitivity of the delivered mass 

to sub-optimal launch dates near the optimal value.  This is normally done to account for any issues with 
equipment, software, weather, or any other circumstances that might occur just prior to launch preventing 
launch from occurring at the optimal time.  The analysis performed here differs from that somewhat since 
we  are  examining  the  performance  sensitivity  to  interplanetary  injection  from  the  assembly  orbit,  rather 
than launch from the ground.  As a result, the injection period must account for a different suite of prob-
lems  such  as  delays  in  on-orbit  assembly,  delays  in  component  launches,  or  spacecraft  hardware  or  soft-
ware problems. 

 
To determine the injection period sensitivity, we examine each of the trajectories listed in the pre-

vious  section,  in  addition  to  examining  different  mission  scenarios  and  alternate  trajectory  families.    We 
begin  with  a  discussion  of  the  injection  periods  for  trajectory  Cases  1  through  4a.    Next,  we  expand  this 
analysis to include alternative arrival dates and trajectory types in the hopes of increasing the injection win-
dow.  Since delays to injection  may occur after the spacecraft has been launched into the assembly orbit, 
the spacecraft mass and injection C

3

 must remain fixed at the optimized values for the nominal trajectory.  

While different trajectory types are explored to extend the injection period, the fixed injection mass and C

3

 

may be sub-optimal for these additional trajectory families. 

 
The  injection  period  performance  profile  for  the  different  trajectory  scenarios  was  generated  by 

first optimizing the injection  and arrival dates of each case for the  fixed flight  time  given in Table 1.  In 
Cases 1-3, the injection C

3

 and mass were also optimized.  Then, the optimal arrival date, injection C

3

, and 

initial spacecraft mass were held fixed while the injection date was varied parametrically.  The optimized 
arrival date was retained to preserve the tour of the Jovian system, which eliminated the need for a compli-
cated and time-consuming redesign of the moon tour.  Finally, the thrust profile was re-optimized at each 
value of the injection date to deliver the greatest possible mass to Jupiter. 
 

Results

 

 

The injection period for trajectory Cases 1-4a is shown in Figure 4 in percent change of delivered 

mass with respect to the optimal value.  Normalizing the delivered mass by the optimal value for each case 
and plotting the results together provides some insight into the relative sensitivities of the different trajec-
tory types. 

 

Case 1 

 

Trajectory Case 1 is the most sensitive to suboptimal injection dates in terms of delivered mass.  

However,  the  performance  penalty  for  injecting  prior  to  the  optimal  date  is  less  than  the  penalty  for  late 
injection.  A 100-day injection period requires only a 1.5% loss in performance with respect to the optimal 
delivered mass.  The fact that Case 1 is the most sensitive to suboptimal injection dates is partly due to the 

background image

 

short flight time.  Only Case 4a is shorter, and it benefits from Jupiter’s gravitational pull on approach to 
rendezvous, whereas this case does not.  Case 3 has a comparable flight time, but the Earth gravity assist 
appears to offer reduced sensitivity to the injection date. 

 
As injection is moved past the optimal injection date, Case 1, as with all of the cases here, reaches 

a point where the delivered mass begins to drop off quite quickly.  This â€œcliff” effect in the performance is 
caused by the shortening, and eventually the closing, of optimal coast arcs in the trajectory.  The result is a 
fairly inefficient thrust profile that sacrifices a significant amount of propellant to achieve the required arri-
val  date.    The  performance  â€œcliff”  in  Case  1  occurs  almost  immediately  as  the  injection  date  is  delayed 
from the optimal value.  Case 1 has the fewest optimal coast arcs of all the trajectories considered (Figure 
2), so it is expected that it would be the most sensitive to sub-optimal injection conditions. 
 

 

Figure 4 â€“ Interplanetary trajectory performance sensitivity to injection date 

 

Case 2 

 
The  performance  curve  for  trajectory  Case  2  is  also  shown  in  Figure  4.    The  optimal  C

3

  at  the 

starting point for this trajectory is the lowest of all of the cases (0.33 km

2

/s

2

).  The low initial C

3

 is a result 

of the longer flight time and additional heliocentric revolution for this Case.  Both of these characteristics 
contribute to a substantially reduced sensitivity to the injection period. 

 
Early injection in this case results in an increase in mass due to increased flight time.  Since the C

3

 

is low, the trajectory benefits more from the increased flight time than it loses from the change in injection 
geometry.  As a result, an injection period for this is indefinite.  Consider as an example the case where the 
injection C

3

 is zero.  In this case, â€œinjection” simply refers to waiting for the most opportune time to begin 

thrusting for Earth departure.  This means that the spacecraft can be â€œinjected” to a C

3

 of zero at any time 

prior  to  the  optimal  date,  and  as  long  as  thrusting  starts  at  the  optimal  point,  no  performance  is  lost.

§

    A 

similar effect is occurring in Case 2. 

                                                            

§

 The Earth is modeled as a massless body in these trajectory scenarios. 

background image

 

 
Note that the â€œcliff” in performance exists for this case much as it did in Case 1.  In this case, the 

sudden drop in performance occurs roughly 70 days after the optimal injection point.  This is significantly 
later than the results for the other trajectories.  Again, the low C

3

 results in a lack of sensitivity to subopti-

mal injection geometries, while having additional flight time (1.5 years over trajectory Case 1, for example) 
means that optimal coast arcs are longer, and don’t close until the injection date delay is more significant. 

 

Case 3 

 

Also shown in Figure 4 is the injection period performance for the 3:2i Earth gravity-assist case 

(trajectory Case 3).   For the  gravity  assist case, injecting  less than 30 days early results in an increase in 
delivered  mass  due  to  the  corresponding  increase  in  flight  time.    However,  the  delivered  mass  begins  to 
decrease  again  when  injection  occurs  more  than  30  days  early.    This  is  due  to  the  change  in  phase  angle 
between Earth and Jupiter.  Once again,  we see that injecting after the optimal point causes a sudden, al-
though less severe, drop off in performance.  However, this does not occur until injection has been delayed 
by two months. 

 
When  compared  to  the  other  6-year  trajectory,  Case  1,  the  Earth  gravity-assist  case  appears  to 

have  less  sensitivity  to  variations  in  injection  date.    An  injection  period  of  100 days  would  yield  slightly 
more than 0.5% loss in delivered mass as compared to the 1.5% loss in Case 1. 

 

Case 4a 

 

Finally, the performance vs. injection curve for the JIMO baseline case, trajectory Case 4a, is also 

shown in Figure 4.  The trajectory exhibits low sensitivity to variations in injection date until over a month 
past the optimal injection date.  Injecting early, however, has little performance impact for all of the injec-
tion dates investigated here.  Allowing the mass at Jupiter capture to reduce by only ~0.35% of the optimal 
delivered  mass  results  in  a  generous  injection  period  of  over  80  days.    As  previously  stated,  the  reduced 
sensitivity of this case versus Case 1 is likely due to the presence of Jupiter’s gravity in the trajectory simu-
lation  and  shortening  the  final  approach  thrust  arc,  which  reduces  the  sensitivity  of  the  trajectory  to  the 
changes in flight time and phasing introduced by varying the injection date. 

 

Delays in Arrival Date 

 
Our first attempt to mitigate the performance drop off seen in each of the cases in Figure 4 is to 

simply delay the Jupiter arrival date in integer numbers of Callisto periods.  By restricting the delay to inte-
ger numbers of Callisto periods, the impact on the capture at Jupiter is minimized since a Callisto flyby on 
Jupiter approach has been baselined.

15

  The arrival date was allowed to â€œslip” 1 and then 5 Callisto periods, 

and the parametric  variation  of injection date  was performed as before, though the C

3

 and  mass  were not 

reoptimized.    This  simulates  what  affect  a  post-launch,  but  pre-injection  delay  to  the  arrival  date  might 
have on performance.  The Case 1 injection period performance  for both the nominal and delayed arrival 
dates is shown in Figure 5. 

 
The results of all three scenarios shown in Figure 5 indicate that, as before, significantly less per-

formance is lost by injecting early than is lost by injecting late.  At injections 20 days past the optimal in-
jection  date  all  three  cases  lose  roughly  5%  deliverable  mass  with  respect  to  each  case’s  optimal  value.  
Delaying the arrival by 5 Callisto periods (83.45 days) delays the â€œcliff” in performance by only a few days 
and does little to extend the injection period. 

 
The delivered masses in the delayed arrival cases are higher than the nominal case due to the in-

creased flight time.  By increasing the flight time, coast arcs can be extended slightly in the interplanetary 
trajectory, thereby increasing the efficiency of the thrust and reducing the propellant consumption.  Had the 
case  been  completely  re-optimized  (including  injection  C

3

)  the  mass  delivered  to  Jupiter  for  the  delayed 

background image

 

arrival case would be even larger.  However, the changes to the upper stage propellant loading to achieve 
these C

3

’s would be difficult to achieve after launch, so this scenario was not investigated further. 

 

 

Figure 5 â€“ Direct 6-year (Case 1) trajectory injection period and effect of delayed arrival 

 
Since the delays to the arrival date were unable to extend the injection period past the optimal in-

jection  date  significantly,  we  began  investigating  alternative  ways  to  take  advantage  of  a  delay  in  arrival 
date. 

 

Alternate Trajectory Types 

 
Figure 6 shows how considering alternative trajectory families can offer extended injection oppor-

tunities.    Case  A  in  the  figure  indicates  the  performance  capability  of  trajectory  Case  1  with  its  nominal 
arrival date, also shown in Figure 5.  Case descriptions for the other scenarios in Figure 6 are listed in Table 
2. 
 

Case B is the same trajectory type as Case A but with the arrival date delayed 5 Callisto periods.  

Case C in Figure 6 illustrates the performance obtained for a trajectory that arrives roughly 7 months after 
Case  A and performs 2.5 revolutions about the  sun, one revolution  more than  Case  A.   For this case, the 
injection  C

3

  and  mass  are  still  constrained  to  the  optimal  value  for  Case  A.    This  is  done  to  simulate  the 

need to switch families after the spacecraft has been launched to the assembly orbit but before it has been 
injected onto its interplanetary path.  This constraint on C

3

 and injected mass is the reason that Case C un-

derperforms Cases A and B for injection dates less than +25 days from the nominal. 

 
Finally, we verified that it is indeed possible to delay the injection one Earth-Jupiter synodic pe-

riod  by  delaying  the  arrival  date  ~13  months  in  integer  numbers  of  Callisto  periods  (Case  D).    Note  the 
sinusoidal  behavior  of  the  delivered  mass  as  the  injection  oscillates  between  favorable  and  unfavorable 
geometries. 

 

background image

 

Table 2 â€“ Descriptions of the four trajectory scenarios illustrated in Figure 6 

 

Description 

Case A 

Base  Case

:  Optimized  for  a  6-year  flight  time  with  free  injection 

parameters  and  Jupiter  arrival  date.  The  injection  C

3

  (and 

corresponding  initial  mass)  and  Jupiter  arrival  date  were  fixed  while 
the injection date was varied. 

Case B 

Base  Case  with  Modified  Arrival  Date:

  Injection  parameters  fixed  at 

the values for Case A, but the arrival date is delayed 5 Callisto Periods. 

Case C 

Suboptimal 2.5 Rev Case:

 Parameters are fixed at the values for Case 

A, but the arrival date is delayed 12 Callisto Periods (~7 mo.) and the 
trajectory family includes an additional half-revolution about the Sun. 

Case D 

Base  Case  One  Synodic  Period  Later

:  Parameters  are  fixed  at  the 

values for Case A, but the trajectory (including arrival date) is shifted 
one synodic period later. 

 

 

Figure 6 â€“ Direct 6-year (Case 1) trajectory injection period results; multiple families considered 

 
As  with trajectory  Case 1, Case 2 shows little performance improvement  from a delayed arrival 

date within a particular trajectory family.  This is illustrated by Case B in Figure 7.  Each case in Figure 7 is 
described in detail in Table 3.  Case B is the result of moving the arrival date for Case A approximately 6 
months into the future, thereby increasing the flight time.  Due to the geometry of the trajectory, however, 
there is very little benefit in this delay.  However, when an alternate trajectory family is considered (in this 
case a 2-rev trajectory indicated by Case C in Figure 7) with an optimal injection date that occurs one year 
later, it is apparent that one could inject far in advance of the optimal injection date for that trajectory and 
be able to delay injection further than the previous family would allow with the same delay in arrival date.  
In the figure, this second trajectory family was constrained to have the same injection C

3

 and corresponding 

initial  mass as Case  A to simulate an inability to change the spacecraft configuration after launching into 
the assembly orbit.  Note again the sinusoidal behavior in the delivered mass as the injection geometry os-
cillates between favorable and unfavorable geometries. 
 

background image

 

10 

Table 3 â€“ Descriptions of the three trajectory scenarios illustrated in Figure 7 

 

Description 

Case A 

Base Case

: 2.5 revolution trajectory optimized for a 7.5-year flight time 

with free injection parameters and Jupiter arrival date. Then the injection 
C

3

  (and  corresponding  initial  mass)  and  Jupiter  arrival  date  were  fixed 

while the injection date was varied. 

Case B 

Base  Case  with  Modified  Arrival  Date:

  Parameters  are  fixed  at  the 

values for Case A, but the arrival date is delayed 12 Callisto Periods (~6 
months). 

Case C 

Suboptimal 2 Rev Case:

 Parameters are fixed at the  values for Case  A, 

but the arrival date is delayed 11 Callisto Periods. 

 

 

Figure 7 â€“ Injection period for trajectory Case 2 and an alternate solution 

 

The drop off in performance for Case C in Figure 7 occurs roughly one year after Cases A and B 

even though the arrival date was only delayed by half a year relative to the nominal (Case A).  This is due 
to the change in trajectory family.  Case C is a trajectory that performs roughly 2 heliocentric revolutions 
rather than 2.5 revolutions as in Cases  A and B.  This difference allows Case  C to be a generally shorter 
trajectory at the cost of some delivered mass.  The rest of the difference in delivered mass can be accounted 
for by the  suboptimal C

3

 and initial  mass  used  for Case  C to  maintain consistency  with the nominal case 

(Case A).  An advanced mission study could be performed to determine an intermediate injection mass and 
C

3

 that would provide nearly equivalent performance for both the 2-rev and 2.5-rev solutions. 

 
In both the 6-year and 7.5-year trajectory examples (Figure 6 and Figure 7), allowing for different 

families of trajectory and arrival times offers the ability to extend the injection period indefinitely with mi-
nor impacts to delivered mass.  By examining the alternative solutions that exist, one can trade changes in 
arrival date with injection period size and performance. 

 

 

background image

 

11 

INJECTION VECTOR SENSITIVITY 
 
Approach

 

 

The  purpose  of  the  injection-vector  sensitivity  study  is  two-fold.    First  of  all,  the  study  aims  to 

characterize the trajectories’ sensitivities to errors in the injection execution to allow sufficient margins in 
the mission design.  Second, the injection direction perturbations feed directly into the injection opportuni-
ties analysis by defining the range of acceptable departure directions about the optimal.  This is explained 
in greater detail in the next section. 

 
In each of the injection vector sensitivity experiments, the departure and arrival dates and the in-

jection mass were held fixed at the optimized values for each trajectory case.  The arrival date is maintained 
to preserve the Jovian tour (as described in the Injection Period section).  The injection date and mass are 
held fixed because it is not reasonable to be able to either predict the injection errors, and therefore opti-
mize the injection date and mass around the errors, or to plan the assembly orbit’s orientation in anticipa-
tion of exactly when during the injection period the spacecraft will inject.  The latter would negate the need 
for an injection period.  Hence, these assumptions are consistent with the study objectives stated above. 

 
The  first  injection-vector  sensitivity  experiment  explores  the  effects  of  introducing  deviations  in 

the injection C

3

 magnitude.  In order to isolate the impact of magnitude versus direction variations, the in-

jection direction is held constant while the magnitude is incrementally increased or decreased from the op-
timal value.  The thrust profile is re-optimized at each step to yield the greatest mass at Jupiter arrival.  It is 
reasonable to assume that the thrust profile could be re-designed in such an event because each trajectory 
requires coasting for the first 60 days after injection. 

 
The  second  experiment  in  this  study  is  the  reverse  of  the  first:  the  injection  C

3

  is  held  constant 

while the direction is modified.  Both the right ascension of the injection asymptote (RLA) and the declina-
tion of the injection asymptote (DLA) are parametrically varied.  (Although we distinguish between launch 
and injection, we use the conventional terms of RLA and DLA to describe the Earth departure asymptote.)  
This experiment serves to characterize the sensitivity to small errors in the injection execution as well as to 
define the acceptable RLA and DLA ranges used in calculating the injection opportunities.   

 

Injection C

3

 Variation Results

 

 

The mass-performance impacts of varying the injection C

3

 by Â±10% for trajectory Cases 1 and 3 

and Â±20% for Cases 2 and 4 are shown in Figure 8.  Each case has its own reference value for the C

3

 (see 

Table 1), however, so a 20% change in Case 4 (2 km

2

/s

2

), for example, is very different from the same per-

cent change in Case 2 (0.07 km

2

/s

2

).  The horizontal axis  shows  the percent change  from the optimal  C

3

and the vertical axis gives the percent change in the final mass (mass at Jupiter arrival) relative to the opti-
mal mass.   

 
In  Case  1,  the  performance  impact  of  an  injection  under-burn  is  more  significant  than  with  any 

other trajectory.  Case 1 suffers from having only one optimal coast period (Figure 2), so there are limited 
opportunities to apply additional thrusting to compensate for an underperforming injection burn.  The worst 
instance shown, however, is less than a 1.7% mass decrease for a rather substantial under-burn of 10% of 
the C

3

.  An over-burn, on the other hand, means less âˆ†V must be applied by the electric propulsion system 

to achieve the Jupiter arrival date.  An increase in the C

3

 therefore yields a higher final mass, as shown in 

Figure 8. 

 

background image

 

12 

-1.75%

-1.50%

-1.25%

-1.00%

-0.75%

-0.50%

-0.25%

0.00%

0.25%

0.50%

0.75%

-20%

-15%

-10%

-5%

0%

5%

10%

15%

20%

Variation from Optimal Injection C

3

 Magnitude

F

in

a

M

a

s

s

 C

h

a

n

g

e

(%

 o

o

p

ti

m

a

d

e

li

v

e

re

d

 m

a

s

s

)

Case 1) Direct, 6-yr

Case 2) Direct, 7.5-yr

Case 3) EEJ, 6-yr

Case 4a) Ref. Traj. Mystic

Case 4b) Ref. Traj. MALTO

Injection C

3

 direction 

held constant

Case               Nominal C

3

1)

Direct, 6-yr     5.06 km

2

/s

2

Direct, 7.5-yr  0.33 km

2

/s

2

EEJ 3:2           2.73 km

2

/s

2

Ref. Traj.        10.0 km

2

/s

2

Case                   Nominal C

3

1) Direct, 6-yr     5.06 km

2

/s

2

2) Direct, 7.5-yr  0.33 km

2

/s

2

3) EEJ, 6-yr        2.73 km

2

/s

2

4) Ref. Traj.        10.0 km

2

/s

2

 

Figure 8 â€“ Mass Impact of Varying the Injection C

3

 Magnitude 

 
Case 2, on the other hand, is relatively insensitive to proportionally sizeable changes in the injec-

tion  C

3

.    This  is  due  in  a  large  part  to  the  optimal  injection  C

3

  of  only  0.33  km

2

/s

2

,  which  is  an  order  of 

magnitude lower than for the other cases.  A 20% change in the C

3

 is a delta of only 0.07 km

2

/s

2

, so a 20% 

under-burn would not burden the NEP system with much additional âˆ†V.  Although not shown in Figure 8, 
C

3

  variations  of  up  to  Â±50%  were  computed,  but  the  relative  mass  changes  only  ranged  from  -0.32%  to 

+0.23%.    This  trajectory  also  benefits  from  two  optimal  coasting  periods  during  its  7.5-year  flight  time 
(Figure 2), so there are ample opportunities to make up for any energy lost from the reduced injection C

3

.   

 
Because it is the only trajectory with a gravity assist, Case 3 has a unique set of constraints com-

pared to the other cases.  Not only does the spacecraft have to rendezvous  with Jupiter on a fixed date, it 
must also target an Earth flyby to get to Jupiter.  Despite this added complexity, Case 3 handles Â±10% C

3

 

magnitude variations better than Case 1.  Even if one considers the actual value of injection energy change, 
a loss of 0.25 km

2

/s

2

 results in a shortfall of 0.47% mass in Case 1 but only 0.39% in Case 3.  Figure 2 also 

shows that Case 3 has several optimal coast arcs where additional thrusting can be applied, which tends to 
reduce the sensitivity to injection magnitude errors. 

 
The plots of both Cases 4a and 4b in Figure 8 are especially interesting because of how the results 

from these cases compare to one another.  From +20% down to nearly -15% of the optimal C

3

, the results 

from Mystic and MALTO are nearly indistinguishable.  In fact, if the C

3

 is increased by as much as 50% 

(not shown in Figure 8), the Case 4b results are still in extremely close agreement with the Case 4a values.  
This  discovery  is  significant  because  it  validates  the  use  of  MALTO,  a  lower-fidelity  preliminary-design 
tool,  for  analyzing  the  effects  of  injection  perturbations.    At  C

3

  magnitude  deviations  beyond  -15%, 

MALTO provides a more conservative estimate than Mystic, but there is only a 0.3% mass difference be-
tween them at a 20% decrease in the injection C

3

.     

 
Overall,  the  NEP  system  could  produce  trajectories  that  are  fairly  insensitive  to  errors  in  the  C

3

 

magnitude.  In all cases studied, an over-burn means that less low-thrust âˆ†V is required, so less propellant 
is  expended  on  the  interplanetary  trajectory.    As  for  instances  of  an  under-burn,  even  the  most  sensitive 

background image

 

13 

case,  Case  1,  can  tolerate  a  5%  reduction  in  the  C

3

  and  still  only  have  the  mass  at  Jupiter  diminished  by 

0.5%.  The same mass reduction limit of 0.5% can be maintained on Case 4, the Reference Trajectory, with 
an injection underperformance of 15%! 

 

Injection Asymptote Variation Results 

 
Having  shown  that  using  nuclear-electric  propulsion  can  result  in  a  low  sensitivity  to  injection 

magnitude  errors,  we  now  turn  to  the  question  of  how  a  NEP  trajectory  is  impacted  by  deviations  in  the 
injection asymptote.  The optimal injection directions, RLA and DLA,

**

 are given in Table 4.  The differ-

ences in the optimal RLA and DLA for Cases 4a and 4b are attributed to their different injection dates.  The 
geometry of the injection is tied to the Earth’s location at the injection epoch, and Case 4b injects about 15 
days later than Case 4a (see Table 1).  Since the Earth moves roughly 1Âș/day in its orbit, the 15Âș RLA dif-
ference between Cases 4a and 4b is expected. 

 

Table 4 â€“ Optimal Injection Direction for Each Trajectory Case

**

 

Case 

Optimal 

RLA (deg) 

Optimal 

DLA (deg) 

122.8 

20.5 

182.8 

1.6 

234.7 

-19.4 

4a 

170.2 

5.7 

4b 

185.6 

-0.9 

 
 

-5.0

-2.5

0.0

2.5

5.0

-5.0

-2.5

0.0

2.5

5.0

-0.009%

-0.008%

-0.007%

-0.006%

-0.005%

-0.004%

-0.003%

-0.002%

-0.001%

0.000%

F

in

a

M

a

s

s

 C

h

a

n

g

e

(%

 o

o

p

ti

m

a

d

e

li

v

e

re

d

 m

a

s

s

)

Delta RLA (deg.)

Delta DLA

(deg.)

 

Figure 9 â€“ Mass Impact of Varying the in Injection Direction on Trajectory Case 2 

 
Figure 9 shows the mass impact of varying the RLA and DLA by Â±5Âș on Case 2.  The two hori-

zontal axes give the amount of change from the optimal injection direction.  The vertical axis represents the 
percent change in mass at Jupiter arrival relative to the mass when injecting in the optimal direction.  Note 
that injecting 5Âș from the optimized values of both RLA and DLA results in a tiny mass change of less than 

                                                            

**

 Earth Equator and Equinox of J2000 inertial reference frame (EME2000) 

background image

 

14 

3 kg, or 0.009%!  As with the C

3

 magnitude variations, Case 2 is quite impervious to changes in the injec-

tion V

∞

 direction.  This insensitivity is due to the very low C

3

 (only 0.33 km

2

/s

2

), which means this trajec-

tory does not depend heavily on the precise injection conditions.  In addition, the relatively long flight time 
of 7.5 years means there is sufficient time to use the NEP engines to impart the required âˆ†V and therefore 
plenty of time to correct any changes to the planned injection conditions.   

 
In Cases 1 and 3, we broadened the RLA range to Â±20Âș to explore the possibility of intentionally 

injecting in an off-nominal direction.  It is possible that the node of the assembly orbit will not align with 
the optimal injection asymptote at the instant injection is desired.  Rather than relying on the injection vehi-
cle to perform a costly plane change to reach the optimal departure asymptote, we investigate the perform-
ance impact of using the NEP system to compensate for the sub-optimal injection direction. 

 
Figure 10 shows the results of injection direction variations of Â±20Âș and Â±5Âș in RLA and DLA, re-

spectively,  for  Case  1.    Case  1  exhibits  a  much  greater  sensitivity  to  injection  asymptote  deviations  than 
Case 2.  Even if the RLA range is constrained to Â±5Âș, the mass loss is as high as 0.13% (versus 0.009% for 
Case 2).  Also note the â€œcliff” in performance when the RLA deviation exceeds +15Âș.  While injecting with 
an  RLA  value  less  than  the  optimal  (negative  delta-RLA)  causes  the  NEP  system  to  compensate  for  the 
sub-optimal  departure  asymptote,  injecting  at  higher  RLA  values  leads  to  issues  with  orbital  energy,  as 
well.  The RLA is measured in the counterclockwise direction, so increasing the departure RLA means that 
the injection asymptote is directed closer to the Sun.  If the RLA is increased far enough, the injection burn 
will leave the spacecraft with notably less orbital energy with respect to the Sun than the optimal injection 
would provide.  At that point, the NEP system must compensate for this energy deficiency, and the cost is 
nearly 3 km/s in low-thrust âˆ†V. 

 
 

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-5

0

5

-5.0%

-4.5%

-4.0%

-3.5%

-3.0%

-2.5%

-2.0%

-1.5%

-1.0%

-0.5%

0.0%

F

in

a

M

a

s

s

 C

h

a

n

g

e

(%

 o

o

p

ti

m

a

d

e

li

v

e

re

d

 m

a

s

s

)

Delta RLA (deg.)

Delta DLA

(deg.)

 

Figure 10 â€“ Mass Impact of Varying the in Injection Direction on Trajectory Case 1 

 
Despite these obstacles, Case 1 can abide a wide RLA range without unreasonable mass losses.  A 

range  of  at  least  -20Âș  to  +13Âș  in  delta  RLA  (RLA  deviations  beyond  -20Âș  were  not  evaluated)  and  Â±5Âș  in 
delta DLA results in a mere 1% mass decrease.  If only a 0.5% mass loss can be tolerated, the full extent of 
the DLA values and RLA values of -16Âș to +10Âș are available. 

 
Trajectory Case 3, however, does not have a steep drop-off in performance when the same DLA 

and RLA ranges are computed (see Figure 11).  It was expected that this trajectory would be more sensitive 

background image

 

15 

to variations in the injection conditions than Case 1, which has the same total flight time, because it must 
target the intermediate flyby of Earth in addition to arriving at Jupiter on a fixed date.  This is obviously not 
the case, however, and the full RLA and DLA ranges of Â±20Âș and Â±5Âș, respectively, result in mass losses of 
less than 0.5%.  (Note that the â€œindentations” in the Figure 11 surface plot are due to the convergence toler-
ances used in performing this analysis.) 

 

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-5

0

5

-0.50%

-0.45%

-0.40%

-0.35%

-0.30%

-0.25%

-0.20%

-0.15%

-0.10%

-0.05%

0.00%

F

in

a

M

a

s

s

 C

h

a

n

g

e

(%

 o

o

p

ti

m

a

d

e

li

v

e

re

d

 m

a

s

s

)

Delta RLA (deg.)

Delta DLA

(deg.)

 

Figure 11 â€“ Mass Impact of Varying the in Injection Direction on Trajectory Case 3 

 
One reason Case 3 is less affected by injection asymptote changes is the greater number of optimal 

coast arcs in this trajectory compared with Case 1.  Case 1 only has one optimal coast arc during which it 
can compensate for sub-optimal injection conditions.  This coast arc also occurs a long time after injection 
(see Figure 2).  If there were an optimal coast arc in Case 1 closer to injection, less âˆ†V would be required 
to maintain the Jupiter arrival date.  Case 3, though, has several optimal coast arcs, many of which are early 
in the trajectory, as shown in Figure 2.  Also, Case 3 has a lower optimal C

3

 than Case 1 (see Table 1), so it 

can be thought of as a smaller vector going in the â€œwrong” direction, which suggests it should be easier to 
correct post-injection.  This trajectory has more flexibility to cope with sub-optimal injections and therefore 
does not exhibit the â€œcliff” in performance that Case 1 has, shown in Figure 10. 

 
The response to injection asymptote perturbations of Case  4b, the MALTO representation of the 

Reference Trajectory, is given in Figure 12.  This figure shows a greater RLA range of Â±25Âș, versus Â±20Âș 
for Cases 1 and 3.  Like Case 1 (Figure 10), there is a steep drop-off in performance at large increases in 
the RLA.  However, the â€œcliff” for Case 4b does not manifest itself until the RLA is increased by approxi-
mately 22Âș,  which is in a range  not covered by the analyses of Cases 1 through 3.  In the  RLA  variation 
range  of  Â±20Âș,  the  largest  mass  loss  for  Case  4b  is  0.5%,  which  puts  this  trajectory  on  par  with  Case  3 
(shown in Figure 11). 

 
A  comparison  of  the  results  of  varying  the  injection  direction  for  Cases  4a  and  4b  is  given  in 

Figure 13 with both cases plotted against the same vertical scale.  (Case 4a was computed at a finer mesh, 
so the grid lines in Figure 13 are more closely-spaced in the plot on the left.)  The correspondence between 
the two plots is quite remarkable, especially the negative delta RLA values.  It is only at the largest RLA 
increases that the Mystic and MALTO representations begin to differ significantly.  At an RLA increase of 
20Âș, the greatest mass loss in both cases occurs when the DLA is increased by 5Âș, and the disparity between 
the Case 4a and 4b mass changes at that point is only 0.05%. 

 

background image

 

16 

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

-5

0

5

-1.50%

-1.25%

-1.00%

-0.75%

-0.50%

-0.25%

0.00%

F

in

a

M

a

s

s

 C

h

a

n

g

e

(%

 o

o

p

ti

m

a

d

e

li

v

e

re

d

 m

a

s

s

)

Delta RLA (deg.)

Delta DLA

(deg.)

 

Figure 12 â€“ Mass Impact of Varying the Injection Direction on Trajectory Case 4b 

 

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

-5

0

5

-0.7%

-0.6%

-0.5%

-0.4%

-0.3%

-0.2%

-0.1%

0.0%

F

in

a

M

a

s

s

 C

h

a

n

g

e

(%

 o

o

p

ti

m

a

d

e

li

v

e

re

d

 m

a

s

s

)

Delta RLA (deg.)

Delta DLA

(deg.)

Case 4a

 

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

-5

0

5

-0.7%

-0.6%

-0.5%

-0.4%

-0.3%

-0.2%

-0.1%

0.0%

F

in

a

M

a

s

s

 C

h

a

n

g

e

(%

 o

o

p

ti

m

a

d

e

li

v

e

re

d

 m

a

s

s

)

Delta RLA (deg.)

Delta DLA

(deg.)

Case 4b

 

Figure 13 â€“ Mass Impact of Varying the Injection Direction on Trajectory Cases 4a and 4b 

 
When the differences in how Mystic and MALTO model trajectories are considered (i.e. level of 

fidelity,  force  models,  etc.),  the  good  agreement  between  their  results,  evident  in  Figure  13  as  well  as 
Figure 8, is an additional validation of the use of MALTO for performing injection V

∞

 variation analyses.  

Furthermore,  Figure  13  illustrates  the  low  sensitivity  of  Case  4a  to  variations  in  the  injection  asymptote.  
For an extensive  RLA range  of Â±25Âș and a DLA range of  Â±5Âș, the  mass  hit is  less than  0.7%.  Using  the 
NEP system for this mission can enable a wide range of injection directions without substantial mass per-
formance impacts. 

 
 

INJECTION OPPORTUNITIES 

 

Approach

 

 

For  a  launch  from  the  surface  of  the  Earth  to  an  interplanetary  departure  trajectory,  the  primary 

problem is to match the required V

∞

 vector to the specified site location.

16

   In the mission architecture ana-

lyzed in this paper, however, the V

∞

 vector must lie within the plane of a regressing assembly orbit for an 

background image

 

17 

injection to be possible.  Furthermore, the spacecraft must be phased within the assembly orbit such that the 
final burn of the final stage takes place at the perigee of the interplanetary hyperbolic trajectory. 

 
Unlike the case of launching from the surface of the Earth, for which in general two injection solu-

tions exist per day, an assembly orbit that is properly located for injection on one day may be incorrectly 
phased on the following day.  The RAAN of an assembly orbit at 400 km altitude and at an inclination of 
28.5Âș regresses at a rate of 7.1Âș/day.  For typical values and rates of change of DLA and RLA of interplane-
tary trajectories, such an assembly orbit will quickly regress away from the desired targets and another op-
portunity  will  not  be  available  until  the  orbit  has  regressed  180Âș.    As  a  consequence,  there  may  be  many 
days within the injection period in which injection from the assembly orbit is not possible. 

 
To increase the number of injection opportunities during the injection period, a targeting tolerance 

is placed on the nominal RLA and DLA.  By allowing the spacecraft to inject into a range of departure as-
ymptotes that are close to the optimal, the number of days when injection is possible is greatly increased.  
The number of injection opportunities per day and the duration of the injection window are also increased. 

 

Results

 

 

A representative assembly orbit, with an altitude of 400 km, an inclination of 28.5Âș, and a RAAN 

chosen to place the first injection opportunity near the beginning of the injection period, was propagated for 
the duration of the 84-day injection period given in Figure 14.  Each orbit rev during that time was checked 
to determine if the optimal departure asymptote or any of the nearby asymptotes lay within the orbit plane.  
If the orbit  was aligned correctly and the spacecraft properly phased to allow  for an injection burn at the 
correct position and time, an injection opportunity was defined to exist.  The injection period in Figure 14 
is  taken  from  the  injection  period  analysis  of  trajectory  Case  4a  (also  shown  in  Figure  4).    The  optimal 
RLA and DLA targets for that case are given in Figure 15.   

 

 

Figure 14 â€“ Reference injection period (Case 4a) 

background image

 

18 

 

 

Figure 15 â€“ Optimized RLA & DLA targets

**

 

 
The injection opportunities fall into â€œclusters” that represent the times when the plane of the orbit 

is near the group of departure asymptotes that are considered acceptable.  These clusters are further broken 
down into ascending opportunities, corresponding to the ascending side of the assembly orbit, and the de-
scending opportunities, corresponding to the descending side of the assembly orbit.  The maximum number 
of injection opportunities per day is equal to the number of orbit revs per day.  In this case, the orbital pe-
riod  is  1.54  hours,  so  the  maximum  number  of  injection  opportunities  in  a  given  day  is  either  15  or  16.  
Figure 16 shows an example case in which injections to asymptotes with a DLA within 

±

2Âș of the nominal 

value and an RLA within 

±

25Âș of the nominal value are allowed. 

 

 

Figure 16 â€“ Targeting tolerance and injection opportunities (±25° in RLA; Â±2° in DLA) 

background image

 

19 

 
For injection onto the nominal departure asymptote, the final stage burn must take place at an in-

stantaneous point in time.  If a targeting tolerance is allowed, however, the final stage burn may take place 
during a finite injection window, analogous to a conventional launch window.  Figure 17 shows the dura-
tion of the injection window as a function of the RLA and DLA targeting tolerances. 

 

 

Figure 17 â€“ Injection Opportunity Window and Targeting Tolerance 

 
Figure 18 shows the effects of RLA and DLA targeting tolerances for the assembly orbit described 

earlier.  Moderate targeting allowances, e.g. Â±10Âș in RLA and Â±3Âș in DLA, allow for injection on 20 days 
out of the 84-day injection period, which is comparable to the launch period of a typical interplanetary mis-
sion launched from the surface of the Earth.  However, the total number of injection opportunities is much 
greater because many of those days may support the maximum of 15 or 16 injection opportunities per day. 

 

 

Figure 18 â€“ Total Number of Injection Opportunities 

background image

 

20 

 
Targeting tolerances of Â±25Âș in RLA and Â±5Âș in DLA, which increase the number of possible in-

jection days to 40, can be sustained without a substantial impact on the delivered mass, as shown in Figure 
13,  but  this  assumes  a  perfect  injection  by  the  final  stage  of  the  injection  vehicle.    Injection  dispersions 
must be considered when determining tolerances on the RLA and DLA, but even modest tolerances greatly 
increase the number of days and opportunities for injection and thus the probability of injection. 

 
 

CONCLUSIONS 

 

Nuclear-electric  propulsion  trajectories  to  Jupiter  can  allow  for  a  substantial  injection  period, 

broad RLA ranges, and multiple Earth-departure opportunities over the injection period without great sacri-
fices in mass performance.  Using the NEP system and allowing for different trajectory families and arrival 
times can offer the ability to extend the injection period indefinitely with minor impacts to delivered mass.  
By examining alternative solutions, one can trade changes in arrival date with injection period length and 
performance.   In  addition,  employing  a  NEP  system  could  yield  trajectories  that  are  rather  insensitive  to 
errors in the injection V

∞

 vector as well as planned variations in the injection direction.  

 
Trajectories that had lower optimal injection C

3

 values, longer flight times, and/or longer and more 

numerous coast arcs  were less sensitive to  injection  vector variations and  injection date.   Lower  C

3

  solu-

tions reduced the sensitivity of the injection period and the injection vector due to the diminished impact of 
unfavorable geometry.  The longer flight times and increased coasting durations allowed higher C

3

 cases to 

compensate for sub-optimal injection conditions.  The large RLA range provided by the NEP system, cou-
pled  with  long  injection  periods,  increases  the  probability  of  achieving  Earth  departure  and  fulfilling  the 
mission requirements. 

 
 
ACKNOWLEDGEMENTS 

 
 

The authors would like to thank Jon Sims and Louis D’Amario for their guidance and leadership 

in directing the work presented in this paper.  We are also grateful Paul Finlayson, Edward Rinderle, Greg-
ory  Whiffen,  and  Benjamin  Engebreth  for  their  work  developing  and  enhancing  the  low-thrust  trajectory 
optimization software used in these analyses.  This work was performed at the Jet Propulsion Laboratory, 
California Institute of Technology, under a contract with the National Aeronautics and Space Administra-
tion. 

 
 
REFERENCES

 

 

1.

 

Williams,  S.  N.,  and  Coverstone-Carroll,  V.,  â€œBenefits  of  Solar  Electric  Propulsion  for  the  Next 
Generation of Planetary Exploration Missions,” 

Journal of the Astronautical Sciences

, Vol. 45, No. 2, 

April-June 1997, pp. 143-159. 

2.

 

Sauer,  C.  G.,  Jr.,  and  Yen,  C.  L.,  â€œPlanetary  Mission  Capability  of  Small  Low  Power  Solar  Electric 
Propulsion  Systems,”  IAA-L-0706,  IAA  International  Conference  on  Low-Cost  Planetary  Missions, 
Laurel, MD, April 12-15, 1994. 

3.

 

Rayman,  M.  D.,  and  Lehman,  D.  H.  â€œNASA’s  First  New  Millennium  Deep-Space  Technology 
Validation  Flight,”  IAA-L-0502,  Second  IAA  International  Conference  on  Low-Cost  Planetary 
Missions, Laurel, MD, April 16-19, 1996. 

4.

 

Betts,  J.  T.,  â€œOptimal  Interplanetary  Orbit  Transfers  by  Direct  Transcription,” 

Journal  of  the 

Astronautical Sciences

, Vol. 42, No. 3, 1994, pp. 247-268. 

background image

 

21 

5.

 

Kluever,  C.  A.,  â€œOptimal  Low-Thrust  Interplanetary  Trajectories  by  Direct  Method  Techniques,” 

Journal of the Astronautical Sciences

, Vol. 45, No. 3, 1997, pp. 247-262. 

6.

 

McConaghy, T. T., Debban, T. J., Petropoulos, A. E., and Longuski, J. M., â€œDesign and Optimization 
of Low-Thrust Trajectories with Gravity Assists,” 

Journal of Spacecraft and Rockets

, Vol. 40, No. 3, 

May-June, 2003, pp. 380-387. 

7.

 

Debban,  T.  J.,  McConaghy,  T.  T.,  and  Longuski,  J.  M.,  â€œDesign  and  Optimization  of  Low-Thrust 
Gravity-Assist  Trajectories  to  Selected  Planets,”  AIAA/AAS  Astrodynamics  Specialists  Conference, 
AIAA Paper 2002-4729, Monterey, CA, August 5-8, 2002. 

8.

 

Maddock, R. W., and Sims, J. A., â€œTrajectory Options  for Ice and Fire Preproject Missions Utilizing 
Solar Electric Propulsion,” AIAA/AAS Astrodynamics Specialists Conference, AIAA Paper 98-4285, 
Boston, MA, August 10-12, 1998. 

9.

 

Yam,  C.  H.,  McConaghy,  T.  T.,  Chen,  K.  J.,  and  Longuski,  J.  M.,  â€œPreliminary  Design  of  Nuclear 
Electric Propulsion Missions to the Outer Planets,” AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference, 
AIAA Paper 2004-5393, Providence, RI, August 16-19, 2004. 

10.

 

Parcher, D. W., and Sims, J. A., â€œVenus and Mars Gravity-Assist Trajectories to Jupiter Using Nuclear 
Electric Propulsion,”  AAS/AIAA  Astrodynamics Specialists Conference,  AAS Paper 05-112, Copper 
Mountain, CO, January 23-27, 2005. 

11.

 

Parcher, D. W., and Sims, J. A.,  â€œEarth Gravity-Assist Trajectories to Jupiter Using Nuclear Electric 
Propulsion,” AAS/AIAA Astrodynamics Specialists Conference, AAS Paper 05-397, Lake Tahoe, NV, 
August 7-11, 2005. 

12.

 

Parcher,  D.  W.,  and  Sims,  J.  A.,  â€œGravity-Assist  Trajectories  to  Jupiter  Using  Nuclear  Electric 
Propulsion,” AAS/AIAA Astrodynamics Specialists Conference, AAS Paper 05-398, Lake Tahoe, NV, 
August 7-11, 2005. 

13.

 

Sims,  J.  A.,  and  Flanagan,  S.  N.,  â€œPreliminary  Design  of  Low-Thrust  Interplanetary  Missions,” 
AAS/AIAA Astrodynamics Specialists Conference, AAS Paper 99-338, Girdwood, AK, August 16-19, 
1999. 

14.

 

Whiffen,  G.  A.,  and  Sims,  J.  A.,  â€œApplication  of  Novel  Optimal  Control  Algorithm  to  Low-Thrust 
Trajectory Optimization,” AAS/AIAA Space Flight Mechanics Conference, AAS Paper 01-209, Santa 
Barbara, CA, February 11-15, 2001. 

15.

 

Whiffen, G. A., Lam, T., Kangas, J. A., and Russell, R. P., â€œThe Jupiter Icy Moons Orbiter Reference 
Trajectory,”  AAS/AIAA  Space  Flight  Mechanics  Conference,  AAS  Paper  06-[xxx],  Tampa,  FL, 
January 22-26, 2006. 

16.

 

Sergeyevsky,  Andrey  B.,  Gerald  C.  Snyder,  Ross  A.  Cunniff,  â€œInterplanetary  Mission  Design 
Handbook, Volume 1, Part 2,” JPL Publication 82-43, September 15, 1983.