Mantenimiento óptimo de Floquet bajo la dinámica relativa del problema de tres cuerpos
Autores: Cuevas del Valle, Sergio; Urrutxua, Hodei; Solano-López, Pablo
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Mantenimiento óptimo de Floquet bajo la dinámica relativa del problema de tres cuerpos
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Aeroespacial
Palabras clave
Misiones en el espacio profundo
Esfuerzos cislunares
Comunidad de investigación en astrodinámica
Problema restringido de tres cuerpos
Teoría de sistemas dinámicos
Mecánica hamiltoniana
Licencia
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Consultas: 27
Citaciones: Sin citaciones
Las misiones en el espacio profundo, y en particular los esfuerzos cislunares, se están convirtiendo en un campo de gran interés para la industria espacial, incluida la comunidad de investigación en astrodinámica. Mientras que las misiones cercanas a la Tierra pueden ser completamente cubiertas por dinámicas keplerianas perturbadas, las misiones en el espacio profundo requieren un enfoque de modelado diferente, donde las interacciones gravitacionales de múltiples cuerpos juegan un papel importante. Con este fin, el Problema Restringido de Tres Cuerpos se destaca como una estrategia de modelado inicial perspicaz para los propósitos de diseño de misiones tempranas, manteniendo estructuras de transporte dinámico importantes mientras sigue siendo relativamente simple. La Teoría de Sistemas Dinámicos y la Mecánica Hamiltoniana clásica se han demostrado como herramientas notables para analizar misiones en el espacio profundo dentro de este contexto, con aplicaciones que van desde el diseño de trayectorias de captura balística hasta el mantenimiento de posición. En este trabajo, basado en esta premisa, se introduce en detalle una derivación hamiltoniana de la dinámica coorbital del Problema Restringido de Tres Cuerpos entre dos naves espaciales. Gracias a los modelos analíticos y numéricos derivados, se muestra que existen conexiones entre los problemas relativos y clásicos keplerianos y CR3BP, incluyendo soluciones lineales de primer orden y una forma normal hamiltoniana heredada. Los modelos analíticos lineales y de orden superior derivados permiten el hallazgo teórico y la revelación de estructuras de espacio de fase coorbital natural, incluyendo familias orbitales periódicas y cuasi-periódicas relativas, que se explotan aún más para aplicaciones generales de operación de proximidad. En particular, se deriva un nuevo controlador de mantenimiento de posición óptimo de bajo empuje y orden reducido en el espacio de fase de Floquet relativo, hibridando la Ecuación de Ricatti Dependiente del Estado (SDRE) clásica con técnicas de control de Koopman para una regulación eficiente de la variedad inestable. El algoritmo propuesto se demuestra y valida dentro de varias misiones de mantenimiento de posición de bajo costo de extremo a extremo, y también se aborda la comparación con algoritmos de mantenimiento de posición continuos clásicos presentados en la literatura para revelar su rendimiento mejorado. Finalmente, se discuten conclusiones y líneas de investigación abiertas.
Descripción
Las misiones en el espacio profundo, y en particular los esfuerzos cislunares, se están convirtiendo en un campo de gran interés para la industria espacial, incluida la comunidad de investigación en astrodinámica. Mientras que las misiones cercanas a la Tierra pueden ser completamente cubiertas por dinámicas keplerianas perturbadas, las misiones en el espacio profundo requieren un enfoque de modelado diferente, donde las interacciones gravitacionales de múltiples cuerpos juegan un papel importante. Con este fin, el Problema Restringido de Tres Cuerpos se destaca como una estrategia de modelado inicial perspicaz para los propósitos de diseño de misiones tempranas, manteniendo estructuras de transporte dinámico importantes mientras sigue siendo relativamente simple. La Teoría de Sistemas Dinámicos y la Mecánica Hamiltoniana clásica se han demostrado como herramientas notables para analizar misiones en el espacio profundo dentro de este contexto, con aplicaciones que van desde el diseño de trayectorias de captura balística hasta el mantenimiento de posición. En este trabajo, basado en esta premisa, se introduce en detalle una derivación hamiltoniana de la dinámica coorbital del Problema Restringido de Tres Cuerpos entre dos naves espaciales. Gracias a los modelos analíticos y numéricos derivados, se muestra que existen conexiones entre los problemas relativos y clásicos keplerianos y CR3BP, incluyendo soluciones lineales de primer orden y una forma normal hamiltoniana heredada. Los modelos analíticos lineales y de orden superior derivados permiten el hallazgo teórico y la revelación de estructuras de espacio de fase coorbital natural, incluyendo familias orbitales periódicas y cuasi-periódicas relativas, que se explotan aún más para aplicaciones generales de operación de proximidad. En particular, se deriva un nuevo controlador de mantenimiento de posición óptimo de bajo empuje y orden reducido en el espacio de fase de Floquet relativo, hibridando la Ecuación de Ricatti Dependiente del Estado (SDRE) clásica con técnicas de control de Koopman para una regulación eficiente de la variedad inestable. El algoritmo propuesto se demuestra y valida dentro de varias misiones de mantenimiento de posición de bajo costo de extremo a extremo, y también se aborda la comparación con algoritmos de mantenimiento de posición continuos clásicos presentados en la literatura para revelar su rendimiento mejorado. Finalmente, se discuten conclusiones y líneas de investigación abiertas.