Étude de la dynamique autour et entre les points de Lagrange de modèles Terre-Lune-Soleil cohérents

Study of dynamics about and between libration points of Sun-Earth-Moon coherent models

• Auteur / Autrice : Bastien Le Bihan
• Direction : Josep J. Masdemont, Denis Matignon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées, Astrophysique, sciences de l'espace, planétologie
• Date : Soutenance le 19/12/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département d’ingénierie des systèmes complexes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Modélisation et ingénierie des systèmes (Toulouse, Haute-Garonne) - Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). Departament de Matemàtiques (Barcelone, Catalogne)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Trélat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gerard Gómez, Stéphanie Lizy-Destrez, Josep Maria Montelo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franco Bernelli-Zazzera, Martin Wen-Yu Lo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Points de Lagrange

Mots clés libres

Système Terre-Lune-Soleil

Problème à quatre corps restreint

Point de Lagrange

Variétés invariantes

Transferts libres

Sun-Earth-Moon system

Restricted four-Body problem

Libration point

Invariant manifolds

Natural transfers

Résumé

Au cours des dernières décennies, l’étude de la dynamique autour des points de Lagrange des systèmes Terre-Lune (EMLi) et Terre-Soleil (SELi) a ouvert de nouvelles possibilités pour les orbites et les transferts spatiaux. Souvent modélisés comme des Problèmes à Trois Corps (CR3BP) distincts, ces deux systèmes ont également été combinés pour produire des trajectoiresà faible coût dans le système Terre-Lune-Soleil étendu. Cette approximation (PACR3BP) a permis de mettre en évidence un réseau à faible énergie de trajectoires (LEN) qui relie la Terre, la Lune, EML1,2 et SEL1,2. Cependant, pour chaque trajectoire calculée, le PACR3BP nécessite une connexion arbitraire entre les CR3BPs, ce qui complique son utilisation systématique. Cette thèse vise à mettre en place une modélisation à quatre corps non autonome pour l’étude du LEN basé sur un système Hamiltonien périodique cohérent, le Problème Quasi-Bicirculaire (QBCP). Tout d’abord, la Méthode de Paramétrisation est appliquée afin d’obtenir une représentation semi-analytique des variétés invariantes autour de chaque point de Lagrange. Une recherche systématique de connexions EML1,2-SEL1,2 peut alors être effectuée dans l’espace des paramètres : les conditions initiales sur la variété centrale-instable de EML1,2 sont propagées et les trajectoires résultantes sont projetées sur la variété centrale de SEL1,2 . Un transfert est détecté lorsque la distance de projection est proche de zéro. Les familles de transfert obtenues sont corrigées dans un modèle newtonien haute-fidélité du système solaire. La structure globale des connections est largement préservée et valide l’utilisation du QBCP comme modèle de base du LEN.

In recent decades, the dynamics about the libration points of the Sun-Earth (SELi) and Earth-Moon (EMLi ) systems have been increasingly studied and used, both in terms of transfer trajectory computation and nominal orbit design. Often seen as two distinct Circular Restricted Three Body Problems (CR3BP), both systems have also been combined to produce efficient transfers in the Sun-Earth-Moon system. This patched CR3BP approximation (PACR3BP) allowed to uncover a low-energy network (LEN) of trajectories that interconnect the Earth, the Moon, EML1,2 and SEL1,2 . However, for every computed trajectory, the PACR3BP requires an arbitrary connection between the CR3BPs, which limits its use in a systematic tool. This thesis introduces a single non-autonomous four-body framework for the study of the LEN based on a coherent periodically-forced Hamiltonian system, the Quasi-Bicircular Problem (QBCP). First, the Parameterization Method is applied in order to obtain high-order, periodic, semi-analytical parameterizations of the invariant manifolds about each libration point. A systematic search for EML1,2 -SEL1,2 connections can then be performed in the parameterization space: initial conditions on the center-unstable manifold at EML1,2 are propagated and projected on the center manifold at SEL1,2. A transfer is found each time that the distance of projection is close to zero. These trajectories are refined as solutions of a Boundary Value Problem, which uncover families of natural transfers, later transitioned into a higher-fidelity model. The global structure of the connecting orbits is largely preserved, which validates the QBCP as a relevant model for the LEN.