Étude des solutions du transfert orbital avec une poussée faible dans le problème des deux et trois corps

Study of the solutions of low-thrust orbital transfers in the two and three body problem

• Auteur / Autrice : Helen Clare Henninger
• Direction : Bernard Bonnard, Jean-Baptiste Pomet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 07/10/2015
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Laboratoire J.-A. Dieudonné (Nice)
• Jury : Président / Présidente : Velimir Jurdjevic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Bonnard, Jean-Baptiste Pomet, Velimir Jurdjevic, Yacine Chitour, Joseph Gergaud, Thierry Dargent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yacine Chitour, Joseph Gergaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rendez-vous spatial

Satellites artificiels

Transfert orbital (vol spatial)

Commande, Théorie de la

Mots clés libres

Contrôle optimal

Transfert optimal d'un satellite à faible poussée

Temps minimum

Moyennation

Optimal control

Low-thrust satellite transfer

Time-minimal

Averaging

Résumé

La technique de moyennation est un moyen efficace pour simplifier les transferts optimaux pour un satellite à faible poussée dans un problème à deux corps contrôlé. Cette thèse est une étude analytique et numérique du transferts orbital à poussée faible en temps optimal qui généralise l'application de la moyennation du problème à deux corps à des transferts dans le problème à deux corps perturbés et aux transfert d'une orbite proche de la Terre au point de Lagrange L1, dans le cadre du problème à quatre corps bi-circulaire où l’effet perturbatif de la Lune et du Soleil est modélisé. Dans le transfert à faible poussée à deux corps, nous comparons le cas du temps minimal et de l'énergie. Nous déterminons que le domaine elliptique pour les transferts orbitaux temps-minimal est géodésiquement convexe pour un transfert coplanaire et vers une orbite circulaire, contrairement au cas de l’énergie. Nous examinons ensuite l’effet la perturbation lunaire, nous montrons que dans ce cas le Hamiltonien moyenné se trouve être celui associé à un problème de navigation de Zermelo. Nous étudions numériquement à l’aide du code Hampath, les points conjugués pour caractériser l’optimalité globale des trajectoires. Enfin, nous construisons et réalisons numériquement un transfert d'une orbite terrestre au point de Lagrange L1, qui utilise la moyennation sur un arc (proche de la Terre) pour simplifier les calculs numériques. Dans ce dernier résultat nous voyons qu'un transfert concaténant une trajectoire moyennée avec une trajectoire temps minimal au voisinage du point de Lagrange est en effet proche d’un transfert de temps optimal calculé avec une méthode numérique de tir.

The technique of averaging is an effective way to simplify optimal low-thrust satellite transfers in a controlled two-body Kepler problem. This study takes the form of both an analytical and numerical investigation of low-thrust time-optimal transfers, extending the application of averaging from the two-body problem to transfers in the perturbed low-thrust two body problem and a low-thrust transfer from Earth orbit to the L1 Lagrange point in the bicircular four-body setting. In the low-thrust two-body transfer, we compare the time-minimal case with the energy-minimal case, and determine that the elliptic domain under time-minimal orbital transfers (reduced in some sense) is geodesically convex. We then consider the Lunar perturbation of an energy-minimal low-thrust satellite transfer, finding a representation of the optimal Hamiltonian that relates the problem to a Zermelo navigation problem and making a numerical study of the conjugate points. Finally, we construct and implement numerically a transfer from an Earth orbit to the L1 Lagrange point, using averaging on one (near-Earth) arc in order to simplify analytic and numerical computations. In this last result we see that such a `time-optimal' transfer is indeed comparable to a true time-optimal transfer (without averaging) in these coordinates.