Noves estratègies per al control de naus espacials propulsades per radiació solar

Una vela solar és un procediment de propulsió de naus espacials que només utilitza la pressió de radiació solar (SRP). Té avantatges pel que fa al consum de combustible ja que proporciona un impuls específic elevat, una càrrega útil elevada i, a petita escala, una empenta constant. El principal tema de la tesi és l';estudi del moviment d'una nau espacial proveïda d'una vela solar al voltant de punts i òrbites de libració artificialment creats. Es proposa una estratègia per realitzar maniobres impulsives canviant els paràmetres de la vela. Els principals resultats són:

1. Càlcul dels punts de libració artificials en funció dels paràmetres de la vela solar (angle del con, angle del rellotge i nombre de lleugeresa). La SRP és una acceleració repulsiva addicional a la del CR3BP, en consequència els punts d'equilibri CR3BP (L 1 , L 2 …L 5 ) es desplacen de les seves posicions en el CR3BP. En un sistema de referència giratori, els nous punts SL 1 , SL 2 …SL 5 corresponen a posicions on les forces gravitatòries, centrífugues i degudes a la SRP estan equilibrades. Aquests punts es poden representar com a funcions dels paràmetres de vela. Determinació i ajust dels paràmetres de la vela solar per al càlcul de maniobres impulsives i la seva aplicació a transferències heteroclíniques entre òrbites de Lissajous. El procediment per a fer maniobres amb veles solars és conceptualment diferent del de les maniobres de control clàssiques, que es basen només en canvis impulsius de la velocitat. Les òrbites de les veles solars són contínues tant en posició com en velocitat en un camp vectorial variable, la qual cosa obre la possibilitat de l'existència de connexions heteroclíniques canviant el camp vectorial mitjançant una maniobra de la vela. A partir d'una anàlisi acurada de la geometria de l'espai de fases de les equacions
lineals de moviment al voltant dels punts d'equilibri, els punts clau són la identificació dels principals paràmetres dinàmics i la representació de les solucions mitjançant les variables d'acció-angle. S'han identificat les propietats dinàmiques bàsiques de les famílies de connexions, presentant de forma sistemàtica noves opcions per a l'anàlisi de missió al voltant dels punts de libració. A partir del mètode proposat per fer maniobres, s'ha dut a terme un estudi exhaustiu dels següents problemes:

• (1) Determinació d'una maniobra d'un sol impuls tal que dues naus espacials amb diferents fases inicials arribin a la mateixa òrbita de Lissajous final.
• (2) Fixant els paràmetres inicials i finals de la vela solar, determinació d'una estratègia de transferència mitjançant maniobres amb multiimpuls.
• (3) Determinació de maniobres amb multiimpuls per fer salts d'anada i tornada entre òrbites inicials i finals fixades al voltant d'un punt de libració artificial.

2. Evitar zones prohibides mitjançant maniobres d'impuls. Al voltant de l'eix Sol-Terra, hi ha una zona semblant a un cilindre on la radiació electromagnètica solar és especialment forta. El punt de libració L 1 es troba sobre aquest eix i entre els dos cossos celestes. L'ombra de la Terra a la regió al voltant de L 2 també pot impedir que una nau espacial obtingui energia solar i la vela SRP. Tots dos problemes es poden modelar definint una zona d'exclusió, al pla YZ (al voltant del punt de libració), que no s'ha de creuar. Per simplificar, visualitzar i evitar el moviment en les zones prohibides, aquesta tesi projecta les zones prohibides, així com l'òrbita de transferència heteroclínica tridimensional, en l'anomenat pla de fases efectiu (EPP), que té dimensió dos.

3. Estacionament d'una vela solar que es mou al llarg d'una òrbita de Lissajous. El procediment de manteniment de l'estació dissenyat realitza una maniobra periòdicament per evitar que la nau espacial s'escapi d'una determinada òrbita de Lissajous. La maniobra es calcula de manera que anul·li el component inestable de l'estat i se suposa que hi ha un error en l’execució de la maniobra.