Chen Gao defensa la seva tesi sobre la dinàmica i control de satel.lits artificial en entorns de libració colineals

Des del començament del segle XXI, continuant amb importants resultats assolits durant el segle passat pel que fa a satèl.lits artificials orbitant La Terra i vols tripulats, la comunitat espacial ha incrementat l'interés en l'estudi i utilització de l'entorn Sol-Terra/Lluna. En aquesta nova era, el desenvolupament de missions espacials posa un èmfasi especial en la precisió dels models i en l'ús de tecnologies basades en impuls feble. Degut a la riquesa dinàmica associada als punts d'equilibri del Problema Restringit de Tres Cossos (RTBP), les òrbites de libració al voltant seu ens proporcionen localitzacións avantatjoses per a moltes missions científiques. Afortunadament, aquests objectes invariants que trobem al RTBP persisteixen quan s'hi afegeix un impuls feble adequat, la qual cosa en obra oportunitats adicionals d'observació i comunicació amb el satèl.lit. A més, l'impuls feble continu ens pot servir per a aconseguir un control actiu, incloent el manteniment en estació i operacions orbitals, que són molt importants en missions espacials avançades.

Aquest treball està dedicat a l'estudi de la dinàmica i el control de satèl.lits artificials en entorns de libració colineal considerant impuls feble. Els resultats més importants són els seguents:

1. Determinació i anàlisi del desplaçament de l'òrbita d'un satèl.lit híbrid amb vela situat al voltant del punt L2 en el model Terra-Lluna el.liptic. Aquest model dinàmic inclou les excentricitats orbitals dels sistemes Terra-Lluna i Sol-Terra/Lluna, així com l'acceleració deguda a la pressió de radiació solar on la inclinació del pla orbital de la Lluna respecte de l'eclíptica es té en compte. El problema es formula usant la dinàmica lineal al voltant del punt L2, mentre que la propulsió elèctrica auxiliar s'utilitza per a estabilitzar l'òrbita. Prenent les exentricitats orbitals i la inclinació com a quantitats petites, i amb aproximacions de primer ordre, el problema de la generació d'órbites desplaçades es transforma en el càlcul de solucions d'unes equacions algebraiques. Les solucions analítiques aproximades de les equacions són bàsicament òrbites quasi periòdiques desplaçades, amb la distància fora del pla determinada per la reflectivitat de la vela i els angles d'atitud. Es proposa també un controlador backstep per a assegurar un seguiment precís, mentre que la reflectivitat i orientació de la vela híbrida s'optimitza minimitzant la part de propulsió elèctrica.

2. Càlcul, manteniment en estació i control d'atitud d'òrbites periòdiques de libració resonant en el RTBP circular Terra-Lluna. Per començar, s'estableix l'òrbita i la dinàmica d'atitud d'un satèl.lit amb vela híbrida d'alta fidelitad, on els dispositius de control per reflectivitat es consideren com a actuadors. Mitjançant l'ús d'un mètode de tir paral.lel, combinat amb una continuació respecte l'acceleració induïda a la vela solar, s'investiguen les famílies d'òrbites Lyapunov i halo resonants. Degut a l'entorn tan pertorbat del sistema Terra-Lluna, cal un sistema auxiliar de propulsió elèctrica pel manteniment en estació de les òrbites. Per a aconseguir una alta precisió en el manteniment en estació i per a minimitzar el consum de propulsor es proposa una estratègia acoblada de control orbital i d'atitud. Aquesta consta de tres parts: un controlador orbital periodic optimal, una optimització d'acceleració provinent de la propulsió elèctrica i un controlador backstep robust per a l'atitud. En particular, a les simulacions s'hi han incorporat pertorbacions en les observacions i en les forces i moments pel control d'atitud, la qual cosa resalta la robustesa del mètode.

3. Estudi de la influència de la pressió de radiació solar en la dinàmica dels substituts dinàmics de L1 i L2 en el problema quasi-bicircular Terra-Lluna. Aquest model és una pertorbació periòdica del RTBP que inclou l'efecte gravitacional del Sol i l'acceleració produïda per per la pressió de radiació solar en la vela del satel.lit. Començant pels objectes invariants més senzills del problema quasibicircular, és a dir, els substituts dinàmics dels dos punts d'equilibri, així com órbites periòdiques resonants d'orbre baix amb el període sinòdic del Sol, s'investiga l'evolució d'aquestes òrbites variant dos paràmetres de la vela que defineixen la seva orientació i eficiència. L'estudi mostra una intricada teranyina de connexions entre les famílies. També s'ha trobat que, per certs valors dels parametres existeixen òrbites periòdiques estables amb la pressió de radiació.

4. Manteniment en estació d'òrbites de libració usant propulsió feble contínua. Basant-nos e propietats dinàmiques de l'espai de fases prop de les órbites de libració es desenvolupen dos procediments de control per aquest tipus de propulsió. La primera família s'obté com a límit de maniobres impulsives i la segona mitjançant la remodelació dels modes de Floquet. Tot i seguir diferents idees, l'anàlisi geomètrica dels dos procediments mostra que les estratègies poden remodelar les estructures dinàmiques al voltant de les òrbites de libració i estabilitzar el moviment. Amb l'ajut de tècniques de transport del jet, les lleis de control es poden escriure explícitament com a polinomis en termes de les desviacions entre l'estat del satèl.lit i el seu punt nominal a l'òrbita de referència, la qual cosa obra la possibilitat d'implementacions compactes que poden ser posades a bord del mateix satèl.lit. Les lleis de control que es proposen són geomètricament intuitives, apropiades per a ser implementades amb dispositius d'impuls feble i els requeriments de propulsor són raonables.