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MAE	
  146:	
  Astronautics	
  	
  
Design	
  Project	
  
Winter	
  2014	
  
	
  
	
  
Interplanetary	
  Orbiter	
  Mission	
  
	
  
Neptune	
  Atmospheric	
  and	
  Interior	
  Science	
  Orbiter	
  
(NAISO)	
  
	
  
	
  
	
  
PREPARED	
  BY:	
  
	
  
Luke	
  Guirguis	
  
Jose	
  Sepulveda	
  
Sean	
  Godinez	
  
	
  
	
  
 
CONSTANTS	
  and	
  KNOWN	
  VALUES	
  
	
  
Sun	
  (S):	
  
𝐺𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙  𝑃𝑎𝑟𝑎𝑚𝑡𝑒𝑟 ∶   𝜇  !"# =   132,712,000,000    
𝑘𝑚!
𝑠!
	
  
Earth	
  (E):	
  
𝐺𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙  𝑃𝑎𝑟𝑎𝑚𝑡𝑒𝑟:    𝜇  !   =   398,600  
𝑘𝑚!
𝑠!
	
  
𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡  𝑅𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠  𝑎𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑  𝑆𝑢𝑛:  𝑅!   =   149.6 ∗ 10!
  𝑘𝑚	
  
𝑅𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠  𝑜𝑓  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ:    𝑟!   =   6,378  𝑘𝑚	
  
𝑃𝑎𝑟𝑘𝑖𝑛𝑔  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡  𝑅𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠  𝑎𝑡  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ:    𝑟!"#$%&'#,! =   6,628  𝑘𝑚	
  
𝑇𝑟𝑢𝑒  𝐴𝑛𝑎𝑜𝑚𝑙𝑦  𝑜𝑛  𝑀𝑎𝑟𝑐ℎ  13𝑡ℎ, 2014:      𝜃!,! =   70.90868°    
𝑀𝑒𝑎𝑛  𝑀𝑜𝑡𝑖𝑜𝑛  𝑜𝑓  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ:  𝑛! =   1.1407 ∗ 10!!
𝑑𝑒𝑔
𝑠
	
  
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑜𝑓  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ  𝑅𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒  𝑡𝑜  𝑆𝑢𝑛:  𝑣! =   29.7844
𝑘𝑚
𝑠
    	
  
Neptune	
  (N):	
  
𝐺𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙  𝑃𝑎𝑟𝑎𝑚𝑡𝑒𝑟:    𝜇  !   =   6,835,100  
𝑘𝑚!
𝑠!
	
  
𝑁𝑒𝑝𝑡𝑢𝑛𝑒  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡  𝑅𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠  𝑎𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑  𝑆𝑢𝑛:    𝑅!   =   4.495 ∗ 10!
  𝑘𝑚	
  
𝑅𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠  𝑜𝑓  𝑁𝑒𝑝𝑡𝑢𝑛𝑒:  𝑟!   =   24,760  𝑘𝑚	
  
𝑇𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡  𝐶𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟  𝑃𝑎𝑟𝑘𝑖𝑛𝑔  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡  𝑅𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠  𝐴𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑  𝑁𝑒𝑡𝑝𝑢𝑛𝑒 ∶     𝑟!"#$%! = 25,060    𝑘𝑚      	
  
𝑇𝑟𝑢𝑒  𝐴𝑛𝑎𝑜𝑚𝑙𝑦  𝑜𝑛  𝑀𝑎𝑟𝑐ℎ  13𝑡ℎ, 2014:      𝜃!,! = 274.44241°  
𝑀𝑒𝑎𝑛  𝑀𝑜𝑡𝑖𝑜𝑛  𝑜𝑓  𝑁𝑒𝑡𝑝𝑢𝑛𝑒:  𝑛! =   6.9260 ∗ 10!!
𝑑𝑒𝑔
𝑠
	
  
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑜𝑓  𝑁𝑒𝑝𝑡𝑢𝑛𝑒  𝑅𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒  𝑡𝑜  𝑆𝑢𝑛:  𝑣! = 5.4336
𝑘𝑚
𝑠
	
  
Centaur	
  Upper	
  Stage:	
  
𝐼!" = 451  𝑠	
  
𝐶𝑒𝑛𝑡𝑎𝑢𝑟  𝑀𝑎𝑠𝑠 = 2,243  𝑘𝑔	
  
NASIO:	
  
𝐼!" = 318  𝑠	
  
𝑁𝐴𝑆𝐼𝑂  𝑀𝑎𝑠𝑠 = 1,800  𝑘𝑔	
  
 
VARIABLES	
  
	
  
Transfer	
  Phase	
  
𝑎!:      𝑆𝑒𝑚𝑖 − 𝑀𝑎𝑗𝑜𝑟  𝐴𝑥𝑖𝑠  𝑜𝑓𝐸𝑙𝑙𝑖𝑝𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙  𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡  	
  
𝑣!"
!
!:      𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑  ℎ𝑒𝑙𝑖𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑐  𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑎𝑡  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ  𝑑𝑒𝑝𝑎𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒  𝑓𝑜𝑟  𝑎  𝐻𝑜ℎ𝑚𝑎𝑛𝑛    𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟        	
  
𝑣!,!:      𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑  𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑓𝑜𝑟  𝑡ℎ 𝑒  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ  𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑐  𝑑𝑒𝑝𝑎𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒  ℎ 𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝑒𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒  𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑦	
  
𝑣!"#$%&'#,!: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑜𝑓  𝐶𝑖𝑟𝑢𝑙𝑎𝑟  𝑃𝑎𝑟𝑘𝑖𝑛𝑔  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡  𝑎𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ	
  
𝑣!!",!: 𝐼𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑤𝑖𝑡ℎ𝑖𝑛  𝑠𝑝ℎ𝑒𝑟𝑒  𝑜𝑓  𝑖𝑛𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑒  𝑜𝑓  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ	
  
Δ𝑣!:  𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑  ∆𝑣  𝑡𝑜  𝑖𝑛𝑠𝑒𝑟𝑡  𝑡ℎ𝑒  𝑠𝑝𝑎𝑐𝑒𝑐𝑟𝑎𝑓𝑡  𝑜𝑛𝑡𝑜  𝑎  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ  𝑒𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒  𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑦	
  
𝑇!:      𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟  𝑇𝑖𝑚𝑒  𝑜𝑓  𝑆𝑝𝑎𝑐𝑒𝑐𝑟𝑎𝑓𝑡	
  
𝑇!:    𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑  𝑜𝑓  𝑁𝑒𝑡𝑝𝑢𝑛𝑒  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡	
  
𝜙:      𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑  𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟  𝑆𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛  𝑜𝑓  𝑃𝑙𝑎𝑛𝑒𝑡𝑠  𝑡𝑜  𝑅𝑒𝑛𝑑𝑒𝑧𝑣𝑜𝑢𝑠  𝑎𝑡  𝑎𝑟𝑟𝑖𝑣𝑎𝑙	
  
𝛽!:      𝐿𝑜𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛  𝑜𝑓  𝑡ℎ𝑒  𝑝𝑒𝑟𝑖𝑔𝑒𝑒  𝑜𝑓  𝑡ℎ𝑒  𝑑𝑒𝑝𝑎𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑎	
  
∆!:        𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑  𝑎𝑖𝑚𝑖𝑛𝑔  𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒  𝑜𝑓  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝑒𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒  𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑦  	
  
Arrival	
  Phase	
  
𝑣!"
!
!:      𝐻𝑒𝑙𝑖𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑐  𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑎𝑡  𝑎𝑟𝑟𝑖𝑣𝑎𝑙  	
  
𝑣!,!:      𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑓𝑜𝑟  𝑡ℎ𝑒  𝑝𝑙𝑎𝑛𝑒𝑡𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑐  𝑎𝑟𝑟𝑖𝑣𝑎𝑙  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑦	
  
𝛽!:      𝐿𝑜𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛  𝑜𝑓  𝑡ℎ𝑒  𝑝𝑒𝑟𝑖𝑔𝑒𝑒  𝑜𝑓  𝑡ℎ𝑒  𝐴𝑟𝑟𝑖𝑣𝑎𝑙  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑎	
  
∆!:        𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑  𝑎𝑖𝑚𝑖𝑛𝑔  𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒  𝑡ℎ𝑒  𝑠𝑝𝑎𝑐𝑒𝑐𝑟𝑎𝑓𝑡  𝑠ℎ𝑜𝑢𝑙𝑑  𝑒𝑛𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑒𝑟  𝑡ℎ𝑒  𝑠𝑝ℎ𝑒𝑟𝑒  𝑜𝑓  𝑖𝑛𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑒  	
  
ℎ!!",!:      𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟  𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑢𝑚  𝑜𝑓  𝑡ℎ𝑒  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝑎𝑟𝑟𝑖𝑣𝑎𝑙  𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑦	
  
𝑒!!",! ∶       𝐸𝑐𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑜𝑓  𝑡ℎ𝑒  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝑎𝑟𝑟𝑖𝑣𝑎𝑙  𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑦  
𝑣!:      𝑃𝑒𝑟𝑖𝑎𝑝𝑠𝑖𝑠  𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑜𝑓  𝑡ℎ𝑒  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑦  	
  
Δ𝑣!:      𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑  ∆𝑣  𝑡𝑜  𝑖𝑛𝑠𝑒𝑟𝑡  𝑖𝑛𝑡𝑜  𝐶𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡  𝑎𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑  𝑁𝑒𝑝𝑡𝑢𝑛𝑒	
  
𝑣!"#$%&'#,!: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑜𝑓  𝐶𝑖𝑟𝑢𝑙𝑎𝑟  𝑃𝑎𝑟𝑘𝑖𝑛𝑔  𝑇𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡  𝑎𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑  𝑁𝑒𝑝𝑡𝑢𝑛𝑒	
  
 
CONTENTS	
  
	
  
Section	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
   page	
  
	
  
	
  	
  1.0	
   	
   	
  	
  Mission	
  Objectives…………………………………………………	
  	
  	
  	
  	
  1	
  
	
  
	
  	
  2.0	
   	
   	
  	
  Launch	
  to	
  Parking	
  Orbit	
  Phase………………………............	
  	
  	
  	
  	
  2	
  
	
  
	
  	
  3.0	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Interplanetary	
  Transfer	
  Phase………………………………..	
  	
  	
  	
  	
  4	
  
	
  
	
  	
  4.0	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Planetary	
  Arrival	
  Phase………………………………………….	
  	
  	
  	
  	
  7	
  
	
  
	
  	
  5.0	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Propellant	
  Mass	
  Requirements……………………………….	
  	
  	
  	
  	
  9	
  
	
  
	
  	
  6.0	
  	
  	
   	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Mission	
  Summary…………………………………………………...	
  	
  	
  	
  10	
  
	
  
	
  	
  7.0	
  	
  	
  	
  	
   	
  	
  Team	
  Contributions…………………………………...................	
  	
  	
  	
  	
  12	
  
	
  
	
  	
  8.0	
   	
   	
  	
  References…………………………………………………………….	
  	
  	
  	
  	
  13
 
	
  
1	
  
1.0 MISSION	
  OBJECTIVE	
  
	
  
The	
  Neptune	
  Atmospheric	
  and	
  Interior	
  Science	
  Orbiter	
  (NAISO)	
  will	
  be	
  orbiting	
  
Neptune	
  to	
  perform	
  an	
  in	
  depth	
  study	
  of	
  the	
  planet.	
  The	
  only	
  other	
  spacecraft	
  that	
  
has	
  flown	
  by	
  Neptune	
  is	
  Voyager	
  2,	
  which	
  revealed	
  Neptune	
  had	
  four	
  rings,	
  five	
  
moons,	
  and	
  a	
  "Great	
  Dark	
  Spot".	
  The	
  “Great	
  Dark	
  Spot”	
  had	
  vanished	
  by	
  the	
  time	
  the	
  
Hubble	
  Space	
  Telescope	
  studied	
  Neptune	
  five	
  years	
  later.	
  NAISO	
  will	
  be	
  launched	
  
and	
  inserted	
  into	
  a	
  circular	
  parking	
  orbit	
  around	
  Earth,	
  sent	
  to	
  Neptune	
  using	
  a	
  
Hohmann	
  transfer,	
  and	
  inserted	
  into	
  a	
  circular	
  orbit	
  around	
  Neptune.	
  NAISO’s	
  
science	
  objectives	
  are:	
  
• Study	
  Neptune’s	
  atmosphere	
  and	
  measure	
  composition,	
  temperature,	
  and	
  
other	
  atmospheric	
  properties	
  
• Asses	
  what	
  the	
  “Great	
  Dark	
  Spot”	
  was	
  and	
  possibly	
  search	
  for	
  other	
  
occurrences	
  
• Map	
  Neptune’s	
  gravity	
  and	
  magnetic	
  fields	
  to	
  offer	
  insight	
  on	
  its	
  internal	
  
structure	
  and	
  core	
  
NAISO	
  is	
  equipped	
  with	
  various	
  instruments	
  similar	
  to	
  the	
  JUNO	
  spacecraft	
  sent	
  to	
  
Jupiter	
  operated	
  by	
  JPL,	
  in	
  order	
  to	
  carry	
  out	
  these	
  scientific	
  objectives.	
  	
  	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
 
	
  
2	
  
2.0 LAUNCH	
  TO	
  PARKING	
  ORBIT	
  PHASE	
  
	
  
The	
  launch	
  of	
  mission	
  NAISO	
  is	
  scheduled	
  to	
  take	
  place	
  on	
  June	
  13th,	
  2014	
  	
  
(calculations	
  shown	
  in	
  Section	
  3:	
  Interplanetary	
  Transfer	
  Phase)	
  under	
  the	
  
assumptions	
  that	
  the	
  orbits	
  of	
  the	
  planets	
  around	
  the	
  Sun	
  are	
  coplanar	
  and	
  
circular.	
  On	
  this	
  date,	
  the	
  required	
  angular	
  separation	
  of	
  Earth	
  from	
  Neptune	
  is	
  
approximately	
  113.1571°.	
  While	
  under	
  realistic	
  conditions	
  a	
  launch	
  would	
  not	
  
be	
  scheduled	
  until	
  June	
  16th,	
  2014.	
  The	
  launch	
  site	
  is	
  located	
  at	
  Cape	
  Canaveral,	
  
Florida,	
  also	
  known	
  as	
  the	
  Kennedy	
  Space	
  Center,	
  at	
  28.°	
  30'	
  N	
  Latitude	
  and	
  80°	
  
33'	
  W	
  Longitude.	
  The	
  vehicle	
  will	
  be	
  placed	
  in	
  parking	
  orbit	
  at	
  a	
  height	
  altitude	
  
of	
  250km	
  with	
  a	
  28.5°	
  inclination,	
  which	
  means	
  we	
  will	
  launch	
  with	
  an	
  Azimuth	
  
of	
  90°	
  because	
  of	
  the	
  equation:	
  
𝐼𝑛𝑐𝑙𝑖𝑛𝑡𝑎𝑖𝑜𝑛:    𝑖 = 28.5°	
  	
  	
  	
  	
  	
  
𝐿𝑎 = 28.5°	
  
𝐴𝑧 = sin!!
cos 𝑖
cos 𝐿𝑎
= 90°	
  
This	
  launch	
  Azimuth	
  will	
  allow	
  us	
  to	
  have	
  a	
  launch	
  window	
  of	
  around	
  2	
  hours	
  
according	
  to	
  the	
  graph	
  below:	
  
 
	
  
3	
  
According	
  to	
  	
  NASA's	
  Horizon	
  web	
  interface,	
  on	
  the	
  date	
  of	
  departure	
  the	
  Sun	
  
relative	
  to	
  the	
  geocentric	
  frame	
  will	
  give	
  us	
  a	
  hyperbolic	
  asymptote	
  with	
  a	
  right	
  
ascension	
  of:	
  	
  
𝑅𝑖𝑔ℎ𝑡  𝐴𝑠𝑐𝑒𝑛𝑖𝑜𝑛:    𝑅𝐴 = 05: 24: 0.09  HMS  	
  
and	
  a	
  declination	
  of	
   𝐷 𝐸𝐶 = 23: 10: 46.7  DMS	
  
	
  
The	
  location	
  of	
  the	
  hyperbolic	
  asymptote	
  is	
  :	
  
𝛽! = 72.1256°  ,      𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠  𝑖𝑛  𝑆𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛  03	
  
and	
  
∆!= 9101.366  𝑘𝑚,      𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠  𝑖𝑛  𝑆𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛  03  	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
 
	
  
4	
  
3.0 INTERPLANETARY	
  TRANSFER	
  PHASE	
  
Once	
  in	
  a	
  circular	
  parking	
  orbit	
  around	
  Earth	
  ( 𝑟!"#$%&'#,! =   6,628  𝑘𝑚),	
  the	
  
NAISO	
  satellite	
  will	
  need	
  to	
  attain	
  a	
  ∆v1	
  with	
  the	
  upper	
  stage	
  Centaur	
  V	
  to	
  begin	
  its	
  
Hohmann	
  transfer	
  to	
  Neptune.	
  In	
  order	
  to	
  calculate	
  this,	
  we	
  need	
  to	
  find	
  the	
  
required	
  heliocentric	
  velocity	
  of	
  the	
  spacecraft:	
  
	
  
𝑆𝑒𝑚𝑖 − 𝑀𝑎𝑗𝑜𝑟  𝐴𝑥𝑖𝑠  𝑜𝑓  𝐸𝑙𝑙𝑖𝑝𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙  𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡:	
  
𝑎! =
1
2
   𝑅! + 𝑅! =   2.3223e09  𝑘𝑚	
  
	
  
𝐻𝑒𝑙𝑖𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑐  𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑎𝑡  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ  𝑑𝑒𝑝𝑎𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒:	
  
𝑣!"
!
! =  
2𝜇  !"#
𝑅!
−
𝜇  !!"
𝑎!
= 41.4376
𝑘𝑚
𝑠
	
  
Thus,	
  the	
  velocity	
  for	
  the	
  hyperbolic	
  departure	
  from	
  Earth	
  is:	
  
𝑣!,! = 𝑣!"
!
! − 𝑣! = 11.6532
𝑘𝑚
𝑠
	
  
The	
  location	
  of	
  the	
  perigee	
  of	
  the	
  departure	
  hyperbola	
  is	
  found	
  using	
  the	
  equations	
  
below:	
  
𝛽! = cos!!
1
1 +
𝑟!"#$%&'#,! 𝑣!,!
!
𝜇  !
   =   72.1256°  	
  
	
  
∆!= 𝑟!"#$%&'#,! 1 +
2𝜇  !
𝑟!"#$%&'#,! ∗ 𝑣!,!
!
= 9101.366  𝑘𝑚  	
  
	
  
The	
  initial	
  hyperbolic	
  velocity	
  	
  (  𝑣!!",!)	
  at	
  Earth	
  departure	
  is	
  found	
  using	
  
conservation	
  of	
  energy,	
  where	
   𝑟!"#$%&'#,!	
  is	
  the	
  radius	
  of	
  the	
  parking	
  orbit	
  :	
  
𝑣!!",!
!
2
−
𝜇  !
𝑟!"#$%&'#,!
=
𝑣!,!
!
2
−
𝜇  !"#
𝑟!
	
  
	
  
Solving	
  for	
     𝑣!!",!	
  ,	
  the	
  equation	
  reduces	
  to:	
  	
  
 
	
  
5	
  
  𝑣!!",! =   𝑣!,!
! +
2𝜇  !
𝑟!"#$%&'#,!
=   16.0023
𝑘𝑚
𝑠
  	
  
And	
  the	
  required	
  ∆v	
  to	
  attain	
   𝑣!,!	
  is:	
  	
  
Δ𝑣! =   𝑣!!",! − 𝑣!"#$%&'#,!	
  	
  	
  	
  ,	
  	
  where	
   𝑣!"#$%&'#,! =
!  !
!!"#$%&'#,!
=  	
  	
  
	
  	
  Δ 𝑣! =   𝑣!!",! −  
!  !
!!"#$%&'#,!
= 8.2474
!"
!
	
  
	
  
The	
  required	
  angular	
  separation	
  ( 𝜙)	
  between	
  the	
  Earth	
  and	
  Neptune	
  at	
  the	
  time	
  of	
  
Earth	
  departure	
  in	
  order	
  to	
  arrive	
  at	
  Neptune’s	
  orbit	
  and	
  rendezvous	
  is	
  found	
  using	
  
the	
  time	
  of	
  the	
  Hohmann	
  transfer,	
  which	
  is	
  half	
  of	
  the	
  transfer	
  period	
  of	
  the	
  elliptical	
  
orbit:	
  
𝑇! =
1
2
𝑇 =
1
2
2𝜋
𝜇  !"#
𝑎!
!/!
=   965099874  𝑠  	
  
	
  
One	
  period	
  of	
  Neptune’s	
  orbit	
  is:	
  
𝑇! =    
!!
!  !"#
𝑅!
!/!
=   5.1978𝑒09	
  s	
  
	
  
	
  
	
  Thus	
  the	
  required	
  angular	
  separation	
  is	
  found	
  using	
  the	
  relation:	
  
180° − 𝜙
180°
=  
𝑇!
(  𝑇!/2)
      	
  
	
  
solving	
  for	
   𝜙	
  yields:	
  	
  	
   𝜙 = 180° −
!!∗!"#°
  !!
!
=   113.1571°	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
 
	
  
6	
  
With	
  the	
  angular	
  separation,	
  we	
  can	
  now	
  calculate	
  the	
  launch	
  date.	
  Using	
  the	
  true	
  
anomalies	
  of	
  Earth	
  and	
  Neptune	
  recorded	
  on	
  March	
  13th,	
  2014	
  
(𝜃!,! = 70.90868°    𝑎𝑛𝑑  𝜃!,! = 274.44241°),	
  and	
  also	
  the	
  mean	
  motion	
  of	
  each	
  
planet	
  ( 𝑛! =  ∗ 10!! !"#
!
        𝑎𝑛𝑑        𝑛! =  ∗ 10!! !"#
!
),	
  we	
  can	
  define	
  the	
  positions	
  of	
  
Earth	
  and	
  Neptune	
  relative	
  to	
  these	
  true	
  anomalies	
  with	
  the	
  equations:	
  
𝜃! = 𝜃!,! +   𝑛! 𝑡                𝑎𝑛𝑑              𝜃! = 𝜃!,! +   𝑛! 𝑡	
  
The	
  separation	
  angle	
  is	
  the	
  difference	
  of	
  these	
  two	
  equations:	
  
𝜙 =   𝜃! − 𝜃! =   𝜃!,! −   𝜃!,!	
  +	
   𝑛! − 𝑛! 𝑡	
  
Solving	
  for	
  time	
  t,	
  this	
  will	
  give	
  us	
  the	
  time	
  from	
  the	
  true	
  anomaly	
  date	
  in	
  seconds	
  to	
  
launch:	
  
𝑡 =
𝜙 + 𝜃!,! − 𝜃!,!
𝑛! − 𝑛!
=   7971148  𝑠	
  
Using	
  the	
  MATLAB	
  function	
  “addtodate(	
  )”,	
  this	
  time	
  t	
  was	
  added	
  to	
  the	
  initial	
  date	
  
of	
  	
  March	
  13th,	
  2014	
  to	
  yield	
  a	
  launching	
  date	
  of	
  June	
  13th,	
  2014.	
  
	
  
The	
  arrival	
  date	
  is	
  simply	
  calculated	
  by	
  adding	
  the	
  transfer	
  time	
  ( 𝑇!)	
  to	
  the	
  launch	
  
date.	
  Using	
  MATLAB	
  again,	
  the	
  arrival	
  date	
  is	
  calculated	
  to	
  be	
  January	
  11th,	
  2045.	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
 
	
  
7	
  
4.0 PLANETARY	
  ARRIVAL	
  PHASE	
  
	
  
Upon	
  arrival	
  to	
  Neptune,	
  the	
  heliocentric	
  velocity	
  of	
  the	
  spacecraft	
  is:	
  
𝑣!"
!
! =  
2𝜇  !"#
𝑅!
−
𝜇  !"#
𝑎!
=   1.3791
𝑘𝑚
𝑠
	
  
Thus,	
  the	
  velocity	
  for	
  the	
  hyperbolic	
  arrival	
  to	
  Neptune	
  is:	
  
𝑣!,! = 𝑣!"
!
! − 𝑣! = −4.0545
𝑘𝑚
𝑠
	
  
The	
  minus	
  sign	
  indicates	
  that	
  Neptune	
  is	
  travelling	
  faster	
  than	
  the	
  orbiter	
  and	
  
catching	
  up	
  to	
  it,	
  and	
  thus	
   𝑣!,!	
  is	
  pointed	
  opposite	
  of	
  Neptune’s	
  velocity.	
  
	
  
The	
  target	
  orbit	
  radius	
  around	
  Neptune	
  ( 𝑟!"#$%! = 25,060    𝑘𝑚)  is	
  300	
  km	
  above	
  the	
  
surface.	
  The	
  location	
  of	
  the	
  perigee	
  of	
  the	
  departure	
  hyperbola	
  is	
  found	
  using	
  the	
  
equation	
  below:	
  
𝛽! = cos!!
1
1 +
𝑟!"#$%&'#,! 𝑣!,!
!
𝜇  !
   = 19.4118  °  	
  
	
  
The	
  required	
  aiming	
  distance	
  (∆)	
  with	
  which	
  the	
  spacecraft	
  should	
  encounter	
  the	
  
sphere	
  of	
  influence	
  of	
  Neptune	
  in	
  order	
  achieve	
  the	
  target	
  orbit	
  radius	
  is	
  found	
  
using	
  the	
  equation:	
  
∆!=   𝑟!"#$%! 1 +
2𝜇  !
𝑟!"#$%! ∗ 𝑣!,!
!
= 1.4652𝑒05  𝑘𝑚  	
  
This	
  provides	
  a	
  hyperbolic	
  arrival	
  trajectory	
  with	
  an	
  eccentricity	
  of	
  :	
  
𝑒!!",! =
𝑟!"#$%! ∗ 𝑣!,!
!
𝜇  !
+ 1 = 1.0603	
  
and	
  a	
  specific	
  angular	
  momentum	
  of:	
  
ℎ!!",! = 𝑟!"#$%! 𝑣!,!
! +
2𝜇  !
𝑟!"#$%!
= 5.9405𝑒05
𝑘𝑚!
𝑠
	
  
 
	
  
8	
  
Thus,	
  the	
  periapsis	
  velocity	
  of	
  the	
  hyperbolic	
  arrival	
  is:	
  
𝑣! =
ℎ!!",!
𝑟!"#$%!
= 23.7052
𝑘𝑚
𝑠
	
  
The	
  velocity	
  required	
  for	
  the	
  circular	
  target	
  orbit	
  around	
  Neptune	
  is:	
  
𝑣!"#$%&'#,! =  
𝜇  !
𝑟!"#$%!
= 16.5151
𝑘𝑚
𝑠
	
  
Which	
  means	
  the	
  required	
  ∆v	
  to	
  circularize	
  the	
  orbiter’s	
  path	
  is:	
  
Δ𝑣! = 𝑣!"#$%&'#,! − 𝑣! = −7.1901
𝑘𝑚
𝑠
  	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
 
	
  
9	
  
5.0 PROPELLANT	
  MASS	
  REQUIREMENTS	
  
The	
  NAISO	
  satellite	
  is	
  estimated	
  to	
  have	
  a	
  mass	
  that	
  is	
  half	
  of	
  the	
  JUNO	
  
spacecraft.	
  In	
  addition,	
  the	
  NAISO	
  is	
  using	
  	
  
𝑁𝐴𝐼𝑆𝑂  𝐼!" = 318  𝑠	
  
𝑁𝐴𝑆𝐼𝑂  𝑀𝑎𝑠𝑠:    𝑚!" = 1800  𝑘𝑔	
  
Thus,	
  the	
  required	
  mass	
  of	
  propellant	
  ( 𝑚!,!)	
  needed	
  to	
  achieve	
  Δ 𝑣! = 7.1901
!"
!
  	
  is	
  
found	
  with	
  the	
  equation:	
  
𝑚!,!
𝑚!" + 𝑚!,!
= 1 − 𝑒
!(
!!!
!!"∗!!
)
	
  
Solving	
  for	
   𝑚!,!	
  yields:	
  	
  
𝑚!,! = 16,240.48  𝑘𝑔	
  
which	
  gives	
  a	
  total	
  mass	
  of	
  the	
  spacecraft	
  with	
  propellant	
  to	
  be:	
  
𝑚!"!! = 𝑚!" + 𝑚!,! =   18040.48  𝑘𝑔	
  
	
  
Now	
  the	
  required	
  amount	
  of	
  fuel	
  for	
  Δ 𝑣! =   8.2474
!"
!
	
  can	
  be	
  calculated:	
  
𝐶𝑒𝑛𝑡𝑎𝑢𝑟  𝐼!" = 451  𝑠	
  
𝐶𝑒𝑛𝑡𝑎𝑢𝑟  𝑀𝑎𝑠𝑠:    𝑚!"#$%&' = 1800  𝑘𝑔	
  
	
  
𝑚!,!
𝑚!"#$%&' + 𝑚!,! + 𝑚!"!!
= 1 − 𝑒
!(
!!!
!!"∗!!
)
	
  
Again,	
  solving	
  for	
   𝑚!,!	
  yields:	
  	
  
𝑚!,! = 110,549.34  𝑘𝑔	
  
This	
  yields	
  a	
  total	
  mass	
  of	
  the	
  upper	
  stage	
  prior	
  to	
  the	
  execution	
  of	
  the	
  ∆v1	
  of:	
  
𝑚!"!#$ = 𝑚!"#$%&' + 𝑚!,! + 𝑚!"!! = 130,832.82  𝑘𝑔  	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
 
	
  
10	
  
6.0 MISSION	
  SUMMARY	
  
Objectives:	
  
• Insert	
  Satellite	
  into	
  circular	
  orbit	
  300	
  km	
  above	
  Neptune’s	
  surface	
  with	
  a	
  
Hohmann	
  transfer	
  
• Study	
  Neptune’s	
  atmosphere	
  and	
  measure	
  composition,	
  temperature,	
  and	
  
other	
  atmospheric	
  properties	
  
• Asses	
  what	
  the	
  “Great	
  Dark	
  Spot”	
  was	
  and	
  possibly	
  search	
  for	
  other	
  
occurrences	
  
• Map	
  Neptune’s	
  gravity	
  and	
  magnetic	
  fields	
  to	
  offer	
  insight	
  on	
  its	
  internal	
  
structure	
  and	
  core	
  
	
  
Important	
  Launching	
  Parameters:	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Launch	
  Date:	
  June	
  13th,	
  2014	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Arrival	
  Date:	
  January	
  11th,	
  2045	
  
𝐼𝑛𝑐𝑙𝑖𝑛𝑡𝑎𝑖𝑜𝑛:    𝑖 = 28.5°	
  	
  	
  	
  	
  	
  
𝐿𝑎𝑢𝑛ℎ  𝐿𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒:  𝐿𝑎 = 28.5°	
  
𝐴𝑧𝑖𝑚𝑢𝑡ℎ ∶ 𝐴𝑧 = 90°	
  
	
  
Important	
  Transfer	
  Parameters:	
  
    𝑣!,! = 11.6532
𝑘𝑚
𝑠
	
  
𝛽! = 72.1256°  	
  
∆!= 9101.366  𝑘𝑚  	
  
Δ𝑣! =   8.2474
𝑘𝑚
𝑠
	
  
𝜙 =   113.1571°	
  
	
  
Important	
  Arrival	
  Parameters:	
  
𝑣!,! = −4.0545
𝑘𝑚
𝑠
	
  
𝑟!"#$%! = 25,060    𝑘𝑚	
  
 
	
  
11	
  
𝛽! = 19.4118  °  	
  
	
  
∆!=   1.4652𝑒05  𝑘𝑚  	
  
𝑣!"#$%&'#,! =   16.5151
𝑘𝑚
𝑠
	
  
Δ𝑣! = −7.1901
𝑘𝑚
𝑠
  	
  
	
  
Mass	
  Budget:	
  
𝑁𝐴𝐼𝑆𝑂  𝐼!" = 318  𝑠	
  
𝑁𝐴𝑆𝐼𝑂  𝑀𝑎𝑠𝑠:    𝑚!" = 1800  𝑘𝑔	
  
𝑚!,! = 16,240.48  𝑘𝑔	
  
𝑚!"!! =   18040.48  𝑘𝑔	
  
	
  
𝐶𝑒𝑛𝑡𝑎𝑢𝑟  𝐼!" = 451  𝑠	
  
𝐶𝑒𝑛𝑡𝑎𝑢𝑟  𝑀𝑎𝑠𝑠:    𝑚!"#$%&' = 1800  𝑘𝑔	
  
𝑚!,! = 110,549.34  𝑘𝑔	
  
	
  
	
  
𝑚!"!#$ = 130,832.82  𝑘𝑔  	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
 
	
  
12	
  
7.0 TEAM	
  CONTRIBUTIONS	
  
	
  
Everyone	
  contributed	
  to	
  the	
  calculations	
  required	
  for	
  every	
  section.	
  	
  
The	
  following	
  members	
  wrote	
  the	
  Sections:	
  	
  
• Luke	
  Guirguis:	
  Sections	
  1,	
  3	
  and	
  4	
  
• Jose	
  Sepulveda:	
  Sections	
  1,5,	
  and	
  6	
  
• Sean	
  Godinez:	
  Sections	
  1,	
  2,	
  	
  and	
  8	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
 
	
  
13	
  
8.0 REFERENCES	
  
“Atlas	
  V	
  551.”	
  Spaceflight	
  101.	
  n.d.	
  Web.	
  13	
  Mar.	
  2014.	
  
http://www.spaceflight101.com/atlas-­‐v-­‐551.html	
  
Brown,	
  Charles	
  D.	
  Elements	
  of	
  Spacecraft	
  Design.	
  Web.	
  13	
  Mar.	
  2014.	
  
Brown,	
  Charles	
  D.	
  Spacecraft	
  Mission	
  Design.	
  2nd	
  ed.	
  Web.	
  13	
  Mar.	
  2014.	
  
Curtis,	
  Howard	
  D.	
  ,	
  Orbital	
  Mechanics	
  for	
  Engineering	
  Students	
  Third	
  Edition	
  	
  
Goodman	
  H.S.	
  Pre-­‐Flight	
  Interplanetary	
  Mission	
  Analysis.	
  21	
  Jan.	
  1969.	
  Web.	
  13	
  
	
   Mar.	
  2014	
  
“HORIZONS	
  System.”	
  Solar	
  System	
  Dynamics.	
  Jet	
  Propulsion	
  Lab,	
  n.d.	
  Web.	
  13	
  Mar.	
  
2014.	
  http://ssd.jpl.nasa.gov/?horizons	
  
“Juno	
  Spacecraft	
  Information.”	
  Spaceflight	
  101.	
  n.d.	
  Web.	
  13	
  Mar.	
  2014.	
  
	
   http://www.spaceflight101.com/juno-­‐spacecraft-­‐information.html	
  
	
  
	
  
	
  
	
  

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Orbital Mechanics Design Project

  • 1.   MAE  146:  Astronautics     Design  Project   Winter  2014       Interplanetary  Orbiter  Mission     Neptune  Atmospheric  and  Interior  Science  Orbiter   (NAISO)         PREPARED  BY:     Luke  Guirguis   Jose  Sepulveda   Sean  Godinez      
  • 2.   CONSTANTS  and  KNOWN  VALUES     Sun  (S):   𝐺𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙  𝑃𝑎𝑟𝑎𝑚𝑡𝑒𝑟 ∶   𝜇  !"# =  132,712,000,000     𝑘𝑚! 𝑠!   Earth  (E):   𝐺𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙  𝑃𝑎𝑟𝑎𝑚𝑡𝑒𝑟:    𝜇  !  =  398,600   𝑘𝑚! 𝑠!   𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡  𝑅𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠  𝑎𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑  𝑆𝑢𝑛:  𝑅!  =  149.6 ∗ 10!  𝑘𝑚   𝑅𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠  𝑜𝑓  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ:    𝑟!  =  6,378  𝑘𝑚   𝑃𝑎𝑟𝑘𝑖𝑛𝑔  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡  𝑅𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠  𝑎𝑡  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ:    𝑟!"#$%&'#,! =  6,628  𝑘𝑚   𝑇𝑟𝑢𝑒  𝐴𝑛𝑎𝑜𝑚𝑙𝑦  𝑜𝑛  𝑀𝑎𝑟𝑐ℎ  13𝑡ℎ, 2014:      𝜃!,! =  70.90868°     𝑀𝑒𝑎𝑛  𝑀𝑜𝑡𝑖𝑜𝑛  𝑜𝑓  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ:  𝑛! =  1.1407 ∗ 10!! 𝑑𝑒𝑔 𝑠   𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑜𝑓  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ  𝑅𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒  𝑡𝑜  𝑆𝑢𝑛:  𝑣! =  29.7844 𝑘𝑚 𝑠       Neptune  (N):   𝐺𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙  𝑃𝑎𝑟𝑎𝑚𝑡𝑒𝑟:    𝜇  !  =  6,835,100   𝑘𝑚! 𝑠!   𝑁𝑒𝑝𝑡𝑢𝑛𝑒  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡  𝑅𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠  𝑎𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑  𝑆𝑢𝑛:    𝑅!  =  4.495 ∗ 10!  𝑘𝑚   𝑅𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠  𝑜𝑓  𝑁𝑒𝑝𝑡𝑢𝑛𝑒:  𝑟!  =  24,760  𝑘𝑚   𝑇𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡  𝐶𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟  𝑃𝑎𝑟𝑘𝑖𝑛𝑔  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡  𝑅𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠  𝐴𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑  𝑁𝑒𝑡𝑝𝑢𝑛𝑒 ∶     𝑟!"#$%! = 25,060    𝑘𝑚         𝑇𝑟𝑢𝑒  𝐴𝑛𝑎𝑜𝑚𝑙𝑦  𝑜𝑛  𝑀𝑎𝑟𝑐ℎ  13𝑡ℎ, 2014:      𝜃!,! = 274.44241°   𝑀𝑒𝑎𝑛  𝑀𝑜𝑡𝑖𝑜𝑛  𝑜𝑓  𝑁𝑒𝑡𝑝𝑢𝑛𝑒:  𝑛! =  6.9260 ∗ 10!! 𝑑𝑒𝑔 𝑠   𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑜𝑓  𝑁𝑒𝑝𝑡𝑢𝑛𝑒  𝑅𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒  𝑡𝑜  𝑆𝑢𝑛:  𝑣! = 5.4336 𝑘𝑚 𝑠   Centaur  Upper  Stage:   𝐼!" = 451  𝑠   𝐶𝑒𝑛𝑡𝑎𝑢𝑟  𝑀𝑎𝑠𝑠 = 2,243  𝑘𝑔   NASIO:   𝐼!" = 318  𝑠   𝑁𝐴𝑆𝐼𝑂  𝑀𝑎𝑠𝑠 = 1,800  𝑘𝑔  
  • 3.   VARIABLES     Transfer  Phase   𝑎!:      𝑆𝑒𝑚𝑖 − 𝑀𝑎𝑗𝑜𝑟  𝐴𝑥𝑖𝑠  𝑜𝑓𝐸𝑙𝑙𝑖𝑝𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙  𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡     𝑣!" ! !:      𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑  ℎ𝑒𝑙𝑖𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑐  𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑎𝑡  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ  𝑑𝑒𝑝𝑎𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒  𝑓𝑜𝑟  𝑎  𝐻𝑜ℎ𝑚𝑎𝑛𝑛    𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟           𝑣!,!:      𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑  𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑓𝑜𝑟  𝑡ℎ 𝑒  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ  𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑐  𝑑𝑒𝑝𝑎𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒  ℎ 𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝑒𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒  𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑦   𝑣!"#$%&'#,!: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑜𝑓  𝐶𝑖𝑟𝑢𝑙𝑎𝑟  𝑃𝑎𝑟𝑘𝑖𝑛𝑔  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡  𝑎𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ   𝑣!!",!: 𝐼𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑤𝑖𝑡ℎ𝑖𝑛  𝑠𝑝ℎ𝑒𝑟𝑒  𝑜𝑓  𝑖𝑛𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑒  𝑜𝑓  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ   Δ𝑣!:  𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑  ∆𝑣  𝑡𝑜  𝑖𝑛𝑠𝑒𝑟𝑡  𝑡ℎ𝑒  𝑠𝑝𝑎𝑐𝑒𝑐𝑟𝑎𝑓𝑡  𝑜𝑛𝑡𝑜  𝑎  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ  𝑒𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒  𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑦   𝑇!:      𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟  𝑇𝑖𝑚𝑒  𝑜𝑓  𝑆𝑝𝑎𝑐𝑒𝑐𝑟𝑎𝑓𝑡   𝑇!:    𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑  𝑜𝑓  𝑁𝑒𝑡𝑝𝑢𝑛𝑒  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡   𝜙:      𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑  𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟  𝑆𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛  𝑜𝑓  𝑃𝑙𝑎𝑛𝑒𝑡𝑠  𝑡𝑜  𝑅𝑒𝑛𝑑𝑒𝑧𝑣𝑜𝑢𝑠  𝑎𝑡  𝑎𝑟𝑟𝑖𝑣𝑎𝑙   𝛽!:      𝐿𝑜𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛  𝑜𝑓  𝑡ℎ𝑒  𝑝𝑒𝑟𝑖𝑔𝑒𝑒  𝑜𝑓  𝑡ℎ𝑒  𝑑𝑒𝑝𝑎𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑎   ∆!:        𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑  𝑎𝑖𝑚𝑖𝑛𝑔  𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒  𝑜𝑓  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝑒𝑠𝑐𝑎𝑝𝑒  𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑦     Arrival  Phase   𝑣!" ! !:      𝐻𝑒𝑙𝑖𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑐  𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑎𝑡  𝑎𝑟𝑟𝑖𝑣𝑎𝑙     𝑣!,!:      𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑓𝑜𝑟  𝑡ℎ𝑒  𝑝𝑙𝑎𝑛𝑒𝑡𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑐  𝑎𝑟𝑟𝑖𝑣𝑎𝑙  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑦   𝛽!:      𝐿𝑜𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛  𝑜𝑓  𝑡ℎ𝑒  𝑝𝑒𝑟𝑖𝑔𝑒𝑒  𝑜𝑓  𝑡ℎ𝑒  𝐴𝑟𝑟𝑖𝑣𝑎𝑙  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑎   ∆!:        𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑  𝑎𝑖𝑚𝑖𝑛𝑔  𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒  𝑡ℎ𝑒  𝑠𝑝𝑎𝑐𝑒𝑐𝑟𝑎𝑓𝑡  𝑠ℎ𝑜𝑢𝑙𝑑  𝑒𝑛𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑒𝑟  𝑡ℎ𝑒  𝑠𝑝ℎ𝑒𝑟𝑒  𝑜𝑓  𝑖𝑛𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑒     ℎ!!",!:      𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟  𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑢𝑚  𝑜𝑓  𝑡ℎ𝑒  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝑎𝑟𝑟𝑖𝑣𝑎𝑙  𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑦   𝑒!!",! ∶      𝐸𝑐𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑜𝑓  𝑡ℎ𝑒  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝑎𝑟𝑟𝑖𝑣𝑎𝑙  𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑦   𝑣!:      𝑃𝑒𝑟𝑖𝑎𝑝𝑠𝑖𝑠  𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑜𝑓  𝑡ℎ𝑒  ℎ𝑦𝑝𝑒𝑟𝑏𝑜𝑙𝑖𝑐  𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑦     Δ𝑣!:      𝑅𝑒𝑞𝑢𝑖𝑟𝑒𝑑  ∆𝑣  𝑡𝑜  𝑖𝑛𝑠𝑒𝑟𝑡  𝑖𝑛𝑡𝑜  𝐶𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡  𝑎𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑  𝑁𝑒𝑝𝑡𝑢𝑛𝑒   𝑣!"#$%&'#,!: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑜𝑓  𝐶𝑖𝑟𝑢𝑙𝑎𝑟  𝑃𝑎𝑟𝑘𝑖𝑛𝑔  𝑇𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡  𝑎𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑  𝑁𝑒𝑝𝑡𝑢𝑛𝑒  
  • 4.   CONTENTS     Section                     page        1.0        Mission  Objectives…………………………………………………          1        2.0        Launch  to  Parking  Orbit  Phase………………………............          2        3.0                                  Interplanetary  Transfer  Phase………………………………..          4        4.0                                  Planetary  Arrival  Phase………………………………………….          7        5.0                                  Propellant  Mass  Requirements……………………………….          9        6.0                                Mission  Summary…………………………………………………...        10        7.0              Team  Contributions…………………………………...................          12        8.0        References…………………………………………………………….          13
  • 5.     1   1.0 MISSION  OBJECTIVE     The  Neptune  Atmospheric  and  Interior  Science  Orbiter  (NAISO)  will  be  orbiting   Neptune  to  perform  an  in  depth  study  of  the  planet.  The  only  other  spacecraft  that   has  flown  by  Neptune  is  Voyager  2,  which  revealed  Neptune  had  four  rings,  five   moons,  and  a  "Great  Dark  Spot".  The  “Great  Dark  Spot”  had  vanished  by  the  time  the   Hubble  Space  Telescope  studied  Neptune  five  years  later.  NAISO  will  be  launched   and  inserted  into  a  circular  parking  orbit  around  Earth,  sent  to  Neptune  using  a   Hohmann  transfer,  and  inserted  into  a  circular  orbit  around  Neptune.  NAISO’s   science  objectives  are:   • Study  Neptune’s  atmosphere  and  measure  composition,  temperature,  and   other  atmospheric  properties   • Asses  what  the  “Great  Dark  Spot”  was  and  possibly  search  for  other   occurrences   • Map  Neptune’s  gravity  and  magnetic  fields  to  offer  insight  on  its  internal   structure  and  core   NAISO  is  equipped  with  various  instruments  similar  to  the  JUNO  spacecraft  sent  to   Jupiter  operated  by  JPL,  in  order  to  carry  out  these  scientific  objectives.                              
  • 6.     2   2.0 LAUNCH  TO  PARKING  ORBIT  PHASE     The  launch  of  mission  NAISO  is  scheduled  to  take  place  on  June  13th,  2014     (calculations  shown  in  Section  3:  Interplanetary  Transfer  Phase)  under  the   assumptions  that  the  orbits  of  the  planets  around  the  Sun  are  coplanar  and   circular.  On  this  date,  the  required  angular  separation  of  Earth  from  Neptune  is   approximately  113.1571°.  While  under  realistic  conditions  a  launch  would  not   be  scheduled  until  June  16th,  2014.  The  launch  site  is  located  at  Cape  Canaveral,   Florida,  also  known  as  the  Kennedy  Space  Center,  at  28.°  30'  N  Latitude  and  80°   33'  W  Longitude.  The  vehicle  will  be  placed  in  parking  orbit  at  a  height  altitude   of  250km  with  a  28.5°  inclination,  which  means  we  will  launch  with  an  Azimuth   of  90°  because  of  the  equation:   𝐼𝑛𝑐𝑙𝑖𝑛𝑡𝑎𝑖𝑜𝑛:    𝑖 = 28.5°             𝐿𝑎 = 28.5°   𝐴𝑧 = sin!! cos 𝑖 cos 𝐿𝑎 = 90°   This  launch  Azimuth  will  allow  us  to  have  a  launch  window  of  around  2  hours   according  to  the  graph  below:  
  • 7.     3   According  to    NASA's  Horizon  web  interface,  on  the  date  of  departure  the  Sun   relative  to  the  geocentric  frame  will  give  us  a  hyperbolic  asymptote  with  a  right   ascension  of:     𝑅𝑖𝑔ℎ𝑡  𝐴𝑠𝑐𝑒𝑛𝑖𝑜𝑛:    𝑅𝐴 = 05: 24: 0.09  HMS     and  a  declination  of   𝐷 𝐸𝐶 = 23: 10: 46.7  DMS     The  location  of  the  hyperbolic  asymptote  is  :   𝛽! = 72.1256°  ,      𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠  𝑖𝑛  𝑆𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛  03   and   ∆!= 9101.366  𝑘𝑚,      𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠  𝑖𝑛  𝑆𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛  03            
  • 8.     4   3.0 INTERPLANETARY  TRANSFER  PHASE   Once  in  a  circular  parking  orbit  around  Earth  ( 𝑟!"#$%&'#,! =  6,628  𝑘𝑚),  the   NAISO  satellite  will  need  to  attain  a  ∆v1  with  the  upper  stage  Centaur  V  to  begin  its   Hohmann  transfer  to  Neptune.  In  order  to  calculate  this,  we  need  to  find  the   required  heliocentric  velocity  of  the  spacecraft:     𝑆𝑒𝑚𝑖 − 𝑀𝑎𝑗𝑜𝑟  𝐴𝑥𝑖𝑠  𝑜𝑓  𝐸𝑙𝑙𝑖𝑝𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙  𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟  𝑂𝑟𝑏𝑖𝑡:   𝑎! = 1 2   𝑅! + 𝑅! =  2.3223e09  𝑘𝑚     𝐻𝑒𝑙𝑖𝑜𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑐  𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦  𝑎𝑡  𝐸𝑎𝑟𝑡ℎ  𝑑𝑒𝑝𝑎𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒:   𝑣!" ! ! =   2𝜇  !"# 𝑅! − 𝜇  !!" 𝑎! = 41.4376 𝑘𝑚 𝑠   Thus,  the  velocity  for  the  hyperbolic  departure  from  Earth  is:   𝑣!,! = 𝑣!" ! ! − 𝑣! = 11.6532 𝑘𝑚 𝑠   The  location  of  the  perigee  of  the  departure  hyperbola  is  found  using  the  equations   below:   𝛽! = cos!! 1 1 + 𝑟!"#$%&'#,! 𝑣!,! ! 𝜇  !   =  72.1256°       ∆!= 𝑟!"#$%&'#,! 1 + 2𝜇  ! 𝑟!"#$%&'#,! ∗ 𝑣!,! ! = 9101.366  𝑘𝑚       The  initial  hyperbolic  velocity    (  𝑣!!",!)  at  Earth  departure  is  found  using   conservation  of  energy,  where   𝑟!"#$%&'#,!  is  the  radius  of  the  parking  orbit  :   𝑣!!",! ! 2 − 𝜇  ! 𝑟!"#$%&'#,! = 𝑣!,! ! 2 − 𝜇  !"# 𝑟!     Solving  for     𝑣!!",!  ,  the  equation  reduces  to:    
  • 9.     5    𝑣!!",! =   𝑣!,! ! + 2𝜇  ! 𝑟!"#$%&'#,! =  16.0023 𝑘𝑚 𝑠     And  the  required  ∆v  to  attain   𝑣!,!  is:     Δ𝑣! =   𝑣!!",! − 𝑣!"#$%&'#,!        ,    where   𝑣!"#$%&'#,! = !  ! !!"#$%&'#,! =          Δ 𝑣! =   𝑣!!",! −   !  ! !!"#$%&'#,! = 8.2474 !" !     The  required  angular  separation  ( 𝜙)  between  the  Earth  and  Neptune  at  the  time  of   Earth  departure  in  order  to  arrive  at  Neptune’s  orbit  and  rendezvous  is  found  using   the  time  of  the  Hohmann  transfer,  which  is  half  of  the  transfer  period  of  the  elliptical   orbit:   𝑇! = 1 2 𝑇 = 1 2 2𝜋 𝜇  !"# 𝑎! !/! =  965099874  𝑠       One  period  of  Neptune’s  orbit  is:   𝑇! =     !! !  !"# 𝑅! !/! =  5.1978𝑒09  s        Thus  the  required  angular  separation  is  found  using  the  relation:   180° − 𝜙 180° =   𝑇! (  𝑇!/2)           solving  for   𝜙  yields:       𝜙 = 180° − !!∗!"#°  !! ! =  113.1571°            
  • 10.     6   With  the  angular  separation,  we  can  now  calculate  the  launch  date.  Using  the  true   anomalies  of  Earth  and  Neptune  recorded  on  March  13th,  2014   (𝜃!,! = 70.90868°    𝑎𝑛𝑑  𝜃!,! = 274.44241°),  and  also  the  mean  motion  of  each   planet  ( 𝑛! =  ∗ 10!! !"# !        𝑎𝑛𝑑        𝑛! =  ∗ 10!! !"# ! ),  we  can  define  the  positions  of   Earth  and  Neptune  relative  to  these  true  anomalies  with  the  equations:   𝜃! = 𝜃!,! +   𝑛! 𝑡                𝑎𝑛𝑑              𝜃! = 𝜃!,! +   𝑛! 𝑡   The  separation  angle  is  the  difference  of  these  two  equations:   𝜙 =   𝜃! − 𝜃! =   𝜃!,! −   𝜃!,!  +   𝑛! − 𝑛! 𝑡   Solving  for  time  t,  this  will  give  us  the  time  from  the  true  anomaly  date  in  seconds  to   launch:   𝑡 = 𝜙 + 𝜃!,! − 𝜃!,! 𝑛! − 𝑛! =  7971148  𝑠   Using  the  MATLAB  function  “addtodate(  )”,  this  time  t  was  added  to  the  initial  date   of    March  13th,  2014  to  yield  a  launching  date  of  June  13th,  2014.     The  arrival  date  is  simply  calculated  by  adding  the  transfer  time  ( 𝑇!)  to  the  launch   date.  Using  MATLAB  again,  the  arrival  date  is  calculated  to  be  January  11th,  2045.                            
  • 11.     7   4.0 PLANETARY  ARRIVAL  PHASE     Upon  arrival  to  Neptune,  the  heliocentric  velocity  of  the  spacecraft  is:   𝑣!" ! ! =   2𝜇  !"# 𝑅! − 𝜇  !"# 𝑎! =  1.3791 𝑘𝑚 𝑠   Thus,  the  velocity  for  the  hyperbolic  arrival  to  Neptune  is:   𝑣!,! = 𝑣!" ! ! − 𝑣! = −4.0545 𝑘𝑚 𝑠   The  minus  sign  indicates  that  Neptune  is  travelling  faster  than  the  orbiter  and   catching  up  to  it,  and  thus   𝑣!,!  is  pointed  opposite  of  Neptune’s  velocity.     The  target  orbit  radius  around  Neptune  ( 𝑟!"#$%! = 25,060    𝑘𝑚)  is  300  km  above  the   surface.  The  location  of  the  perigee  of  the  departure  hyperbola  is  found  using  the   equation  below:   𝛽! = cos!! 1 1 + 𝑟!"#$%&'#,! 𝑣!,! ! 𝜇  !   = 19.4118  °       The  required  aiming  distance  (∆)  with  which  the  spacecraft  should  encounter  the   sphere  of  influence  of  Neptune  in  order  achieve  the  target  orbit  radius  is  found   using  the  equation:   ∆!=   𝑟!"#$%! 1 + 2𝜇  ! 𝑟!"#$%! ∗ 𝑣!,! ! = 1.4652𝑒05  𝑘𝑚     This  provides  a  hyperbolic  arrival  trajectory  with  an  eccentricity  of  :   𝑒!!",! = 𝑟!"#$%! ∗ 𝑣!,! ! 𝜇  ! + 1 = 1.0603   and  a  specific  angular  momentum  of:   ℎ!!",! = 𝑟!"#$%! 𝑣!,! ! + 2𝜇  ! 𝑟!"#$%! = 5.9405𝑒05 𝑘𝑚! 𝑠  
  • 12.     8   Thus,  the  periapsis  velocity  of  the  hyperbolic  arrival  is:   𝑣! = ℎ!!",! 𝑟!"#$%! = 23.7052 𝑘𝑚 𝑠   The  velocity  required  for  the  circular  target  orbit  around  Neptune  is:   𝑣!"#$%&'#,! =   𝜇  ! 𝑟!"#$%! = 16.5151 𝑘𝑚 𝑠   Which  means  the  required  ∆v  to  circularize  the  orbiter’s  path  is:   Δ𝑣! = 𝑣!"#$%&'#,! − 𝑣! = −7.1901 𝑘𝑚 𝑠                                            
  • 13.     9   5.0 PROPELLANT  MASS  REQUIREMENTS   The  NAISO  satellite  is  estimated  to  have  a  mass  that  is  half  of  the  JUNO   spacecraft.  In  addition,  the  NAISO  is  using     𝑁𝐴𝐼𝑆𝑂  𝐼!" = 318  𝑠   𝑁𝐴𝑆𝐼𝑂  𝑀𝑎𝑠𝑠:    𝑚!" = 1800  𝑘𝑔   Thus,  the  required  mass  of  propellant  ( 𝑚!,!)  needed  to  achieve  Δ 𝑣! = 7.1901 !" !    is   found  with  the  equation:   𝑚!,! 𝑚!" + 𝑚!,! = 1 − 𝑒 !( !!! !!"∗!! )   Solving  for   𝑚!,!  yields:     𝑚!,! = 16,240.48  𝑘𝑔   which  gives  a  total  mass  of  the  spacecraft  with  propellant  to  be:   𝑚!"!! = 𝑚!" + 𝑚!,! =  18040.48  𝑘𝑔     Now  the  required  amount  of  fuel  for  Δ 𝑣! =  8.2474 !" !  can  be  calculated:   𝐶𝑒𝑛𝑡𝑎𝑢𝑟  𝐼!" = 451  𝑠   𝐶𝑒𝑛𝑡𝑎𝑢𝑟  𝑀𝑎𝑠𝑠:    𝑚!"#$%&' = 1800  𝑘𝑔     𝑚!,! 𝑚!"#$%&' + 𝑚!,! + 𝑚!"!! = 1 − 𝑒 !( !!! !!"∗!! )   Again,  solving  for   𝑚!,!  yields:     𝑚!,! = 110,549.34  𝑘𝑔   This  yields  a  total  mass  of  the  upper  stage  prior  to  the  execution  of  the  ∆v1  of:   𝑚!"!#$ = 𝑚!"#$%&' + 𝑚!,! + 𝑚!"!! = 130,832.82  𝑘𝑔            
  • 14.     10   6.0 MISSION  SUMMARY   Objectives:   • Insert  Satellite  into  circular  orbit  300  km  above  Neptune’s  surface  with  a   Hohmann  transfer   • Study  Neptune’s  atmosphere  and  measure  composition,  temperature,  and   other  atmospheric  properties   • Asses  what  the  “Great  Dark  Spot”  was  and  possibly  search  for  other   occurrences   • Map  Neptune’s  gravity  and  magnetic  fields  to  offer  insight  on  its  internal   structure  and  core     Important  Launching  Parameters:                  Launch  Date:  June  13th,  2014                  Arrival  Date:  January  11th,  2045   𝐼𝑛𝑐𝑙𝑖𝑛𝑡𝑎𝑖𝑜𝑛:    𝑖 = 28.5°             𝐿𝑎𝑢𝑛ℎ  𝐿𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒:  𝐿𝑎 = 28.5°   𝐴𝑧𝑖𝑚𝑢𝑡ℎ ∶ 𝐴𝑧 = 90°     Important  Transfer  Parameters:      𝑣!,! = 11.6532 𝑘𝑚 𝑠   𝛽! = 72.1256°     ∆!= 9101.366  𝑘𝑚     Δ𝑣! =  8.2474 𝑘𝑚 𝑠   𝜙 =  113.1571°     Important  Arrival  Parameters:   𝑣!,! = −4.0545 𝑘𝑚 𝑠   𝑟!"#$%! = 25,060    𝑘𝑚  
  • 15.     11   𝛽! = 19.4118  °       ∆!=  1.4652𝑒05  𝑘𝑚     𝑣!"#$%&'#,! =  16.5151 𝑘𝑚 𝑠   Δ𝑣! = −7.1901 𝑘𝑚 𝑠       Mass  Budget:   𝑁𝐴𝐼𝑆𝑂  𝐼!" = 318  𝑠   𝑁𝐴𝑆𝐼𝑂  𝑀𝑎𝑠𝑠:    𝑚!" = 1800  𝑘𝑔   𝑚!,! = 16,240.48  𝑘𝑔   𝑚!"!! =  18040.48  𝑘𝑔     𝐶𝑒𝑛𝑡𝑎𝑢𝑟  𝐼!" = 451  𝑠   𝐶𝑒𝑛𝑡𝑎𝑢𝑟  𝑀𝑎𝑠𝑠:    𝑚!"#$%&' = 1800  𝑘𝑔   𝑚!,! = 110,549.34  𝑘𝑔       𝑚!"!#$ = 130,832.82  𝑘𝑔                        
  • 16.     12   7.0 TEAM  CONTRIBUTIONS     Everyone  contributed  to  the  calculations  required  for  every  section.     The  following  members  wrote  the  Sections:     • Luke  Guirguis:  Sections  1,  3  and  4   • Jose  Sepulveda:  Sections  1,5,  and  6   • Sean  Godinez:  Sections  1,  2,    and  8                                                
  • 17.     13   8.0 REFERENCES   “Atlas  V  551.”  Spaceflight  101.  n.d.  Web.  13  Mar.  2014.   http://www.spaceflight101.com/atlas-­‐v-­‐551.html   Brown,  Charles  D.  Elements  of  Spacecraft  Design.  Web.  13  Mar.  2014.   Brown,  Charles  D.  Spacecraft  Mission  Design.  2nd  ed.  Web.  13  Mar.  2014.   Curtis,  Howard  D.  ,  Orbital  Mechanics  for  Engineering  Students  Third  Edition     Goodman  H.S.  Pre-­‐Flight  Interplanetary  Mission  Analysis.  21  Jan.  1969.  Web.  13     Mar.  2014   “HORIZONS  System.”  Solar  System  Dynamics.  Jet  Propulsion  Lab,  n.d.  Web.  13  Mar.   2014.  http://ssd.jpl.nasa.gov/?horizons   “Juno  Spacecraft  Information.”  Spaceflight  101.  n.d.  Web.  13  Mar.  2014.     http://www.spaceflight101.com/juno-­‐spacecraft-­‐information.html