Nuevos estrategias para el control de naves espaciales propulsadas por radiación solar

Una vela solar es un procedimiento de propulsión de naves espaciales que sólo utiliza la presión de radiación solar (SRP). Tiene ventajas en cuanto al consumo de combustible al proporcionar un impulso específico elevado, una carga útil elevada y, a pequeña escala, un empuje constante. El principal tema de la tesis es el estudio del movimiento de una nave espacial provista de una vela solar en torno a puntos y órbitas de libración artificialmente creados. Se ropone una estrategia para realizar maniobras impulsivas cambiando los parámetros de la vela. Los principales resultados son:

1 Cálculo de los puntos de libración artificiales en función de los parámetros de la vela solar (ángulo del cono, ángulo del reloj y número de ligereza). La SRP es una aceleración repulsiva adicional a la del CR3BP, en consecuencia los puntos de equilibrio CR3BP (L1, L2…L5) se desplazan de sus posiciones en el CR3BP. En un sistema de referencia giratorio, los nuevos puntos SL1, SL2…SL5 corresponden a posiciones en las que las fuerzas gravitatorias, centrífugas y debidas a la SRP están equilibradas. Estos puntos se pueden representar como funciones de los parámetros de vela. Determinación y ajuste de los parámetros de la vela solar para el cálculo de maniobras impulsivas y su aplicación a transferencias heteroclínicas entre órbitas de Lissajous. El procedimiento para realizar maniobras con velas solares es conceptualmente distinto al de las maniobras de control clásicas, que se basan sólo en cambios impulsivos de la velocidad. Las órbitas de las velas solares son continuas tanto en posición como en velocidad en un campo vectorial variable, lo que abre la posibilidad de la existencia de conexiones heteroclínicas cambiando el campo vectorial mediante una maniobra de la vela. A partir de un análisis cuidadoso de la geometría del espacio de fases de las ecuaciones lineales de movimiento en torno a los puntos de equilibrio, los puntos clave son la identificación de los principales parámetros dinámicos y la representación de las soluciones mediante las variables de acción-ángulo. Se han identificado las propiedades dinámicas básicas de las familias de conexiones, presentando de forma sistemática nuevas opciones para el análisis de misión en torno a los puntos de libración. A partir del método propuesto para realizar maniobras, se ha llevado a cabo un estudio exhaustivo de los siguientes problemas:

• (1) Determinación de una maniobra de un solo impulso tal que dos naves espaciales con diferentes fases iniciales lleguen a la misma órbita de Lissajous final.
• (2) Fijando los parámetros iniciales y finales de la vela solar, determinación de una estrategia de transferencia mediante maniobras con multiimpulso.
• (3) Determinación de maniobras con multiimpulso para dar saltos de ida y vuelta entre órbitas iniciales y finales fijadas en torno a un punto de libración artificial.

2 Evitar zonas prohibidas mediante maniobras de impulso. Alrededor del eje Sol-Terra, existe una zona similar a un cilindro donde la radiación electromagnética solar es especialmente fuerte. El punto de libración L1 se encuentra sobre este eje y entre ambos cuerpos celestes. La sombra de la Tierra en la región en torno a L2 también puede impedir que una nave espacial obtenga energía solar y la vela SRP. Ambos problemas se pueden modelar definiendo una zona de exclusión, en el plano YZ (alrededor del punto de libración), que no debe cruzarse. Para simplificar, visualizar y evitar el movimiento en las zonas prohibidas, esta tesis proyecta las zonas prohibidas, así como la órbita de transferencia heteroclínica tridimensional, en el llamado plan de fases efectivo (EPP), que tiene dimensión dos.

3 Estacionamiento de una vela solar que se mueve a lo largo de una órbita de Lissajous. El procedimiento de mantenimiento de la estación diseñado realiza una maniobra periódicamente para evitar que la nave espacial se escape de una determinada órbita de Lissajous. La maniobra se calcula de forma que anule el componente inestable del estado y se supone que existe un error en la ejecución de la maniobra.