Etude de la dynamique et de l'environnement Cislunaire pour la gestion des débris spatiaux

par Paolo Guardabasso

Projet de thèse en Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie

Sous la direction de Gregoire Casalis et de Stéphanie Lizy-destrez.

Thèses en préparation à Toulouse, ISAE , dans le cadre de École doctorale Aéronautique-Astronautique , en partenariat avec ISAE-ONERA CSDV - Commande des Systèmes et Dynamique du Vol (laboratoire) depuis le 01-04-2020 .


  • Résumé

    Le but principal de ce projet de recherche interdisciplinaire est de cartographier les orbites dans l'espace cislunaire, en évaluant leur évolution à long terme, pour identifier les options disponibles pour leur retrait de service ; cela sera nécessaire pour réduire le risque de collision en espace cislunaire, ainsi qu'en orbite terrestre, et ou de retour sur Terre, représentant un risque pour la population et les biens [1]. Un enthousiasme croissant d'accroître l'influence de l'humanité sur l'espace a incité les agences et les entreprises à étudier et à concevoir de nouvelles missions vers la Lune [2]. Bien que l'accès à la surface lunaire présente un intérêt évident, de nombreuses agences spatiales envisagent de construire une station orbitale au voisinage de la Lune, grâce à l'héritage technologique de la Station spatiale internationale (ISS). Cette station sera placée sur une orbite Halo autour d'un des points de Lagrange colinéaires du système Terre-Lune [3][3] et servira de passage vers la surface du satellite, mais également vers Mars et d'autres destinations du système solaire [4][1]. Une nouvelle économie spatiale devrait émerger, ce qui entraînera une plausible augmentation du trafic vers la Lune dans les années à venir [5]. La dynamique orbitale dans l'espace cislunaire ne peut pas être étudiée avec la mécanique keplerienne classique, car les influences de la Terre et de la Lune affectent fortement le mouvement d'un objet, défini alors dans le “problème à N-corps” [6]. Dans l'espace cislunaire, ces lois du mouvement particulières et chaotiques s'appliquent à tout objet. Pour cette raison, les vaisseaux spatiaux devront être dotés de systèmes de propulsion capables d'effectuer le maintien à poste requis pendant leur mission [7]. Mais qu'advient-il des vaisseaux défectueux ou des débris artificiels produits et abandonnés sur l'une de ces trajectoires ? Quelle serait la meilleure pratique pour éliminer en toute sécurité des objets, tels que des cargos de ravitaillement (qui dans le cas de l'ISS sont détruits lors de la phase de rentrée atmosphérique), de l'espace cislunaire ? Autour de la Lune, la solution actuelle pour l'élimination des vaisseaux spatiaux a été la désorbitation naturelle et l'impact sur la surface, cas typique des orbites basses à haute instabilité. Mais la recherche n'a pas encore étudié en détail les options d'élimination pour les orbites lunaires d'altitude plus élevées, qui vont présenter probablement le trafic plus élevé. En outre, conformément aux directives récentes en matière de protection des sites historiques et des possibles installations humaines, leur élimination sur un terrain lunaire nécessiterait d'être contrôlée et réglementée. Finalement, établir des directives pour le retrait de service va sûrement influencer le design des nouvelle missions vers la Lune [8]. Ce projet de thèse propose d'étendre l'approche de cartographie systématique utilisée autour de la Terre [9]. En utilisant la propagation à long terme dans la dynamique orbitale multi-corps non keplerienne, il sera possible de créer une cartographie dynamique de l'espace cislunaire. Sur la base de différents scénarios du futur trafic lunaire, l'environnement des débris lunaires et cislunaires sera simulé et différentes stratégies d'élimination seront proposées dans le but de fournir les bases techniques nécessaires à l'établissement de directives pour les futures missions lunaires. Une étude de cas sur des constellations de Cubesats dans l'espace cislunaire sera développée, en tenant compte des stratégies de déploiement, de maintenance en orbite et d'élimination à fin de vie. L'Europe souhaite être partie intégrante de l'exploration de la Lune. Il existe un réel intérêt à explorer les options techniques d'élimination de débris en vue de se préparer explicitement à la normalisation à venir et aux meilleures pratiques, qu'autant plus que ces stratégies en environnement lunaire n'ont pas encore été définies. Références : [1] F. Letizia, C. Colombo, J. Van Den Eynde, R. Armellin, and J. Rüdiger, “SNAPPSHOT : Suite for the numerical analysis of planetary protection,” 2016. [2] B. Hufenbach et al., “International missions to lunar vicinity and surface - Near-Term mission scenario of the global space exploration roadmap,” 2015. [3] R. J. Whitley et al., “Earth-Moon Near Rectilinear Halo and Butterfly Orbits for Lunar Surface Exploration,” 2018. [4] M. Lo and S. Ross, “The Lunar L1 Gateway : portal to the stars and beyond,” Pasadena, CA : Jet Propulsion Laboratory, National Aeronautics and Space Administration, 2001., Aug. 2001. [5] I. A. Crawford, “Lunar resources: A review,” Prog. Phys. Geogr., vol. 39, no. 2, pp. 137–167, 2015. [6] W. S. Koon, M. W. Lo, J. E. Marsden, and S. D. Ross, Dynamical Systems, the Three-Body Problem and Space Mission Design. 2009. [7] D. Guzzetti, E. M. Zimovan, K. C. Howell, and D. C. Davis, “Stationkeeping analysis for spacecraft in lunar near rectilinear halo orbits,” Adv. Astronaut. Sci., vol. 160, no. May, pp. 3199–3218, 2017. [8] R. Jehn and F. Renk, “Impact of Space Debris Mitigation Requirements on,” no. June, pp. 1–5, 2017. [9] A. J. Rosengren, D. K. Skoulidou, K. Tsiganis, and G. Voyatzis, “Dynamical cartography of Earth satellite orbits,” Adv. Sp. Res., vol. 63, no. 1, pp. 443–460, 2019.

  • Titre traduit

    Study of Cislunar space dynamics and environment for orbital debris mitigation


  • Résumé

    The main goal of this interdisciplinary research project is to map orbits in the cislunar space in order to assess their long-term evolution and identify available spacecraft disposal options; this is necessary to mitigate the collision risk in cislunar space as well as in Earth orbits, and the on-ground risk for population and property on the Earth surface [1]. An increasing interest in enlarging humankind's influence in space has motivated agencies and companies to study and design new missions towards the Moon [2]. While access on the surface is of clear interest, numerous space agencies are planning on building an orbital station around the Moon, thanks to the heritage of the International Space Station (ISS). This station will be positioned in a Near Rectilinear Halo Orbit around the Moon [3], and will serve as a gateway to the satellite's surface, but also to Mars and outer space [4]. A new space economy is likely to emerge, bringing a plausible increase in traffic towards the Moon in the coming years [5]. Orbital dynamics in the cislunar space cannot be studied with conventional keplerian mechanics, as the influences of both the Earth and the Moon affect the motion of an object in what is defined the “N-body problem” [6]. In cislunar space, these peculiar and chaotic laws of motion apply to any object, and for this reason spacecraft will be provided with propulsion systems able to perform the required station keeping [7]. But what happens to any malfunctioning spacecraft or artificial debris that is produced and left in one of these trajectories? What would be the best practice to safely dispose of spacecraft, such as transport modules (which for the ISS are destroyed thanks to the Earth's atmosphere), in cislunar space? Around the Moon, the current solution for disposal of lunar spacecraft has been the natural de-orbiting and subsequent impact on the surface that incurs for low orbits with high instability, but research has not yet looked thoroughly into disposal options in higher lunar orbits, which are the ones that are likely to present the higher traffic. Moreover, following recent guidance for the protection of historical sites and potential human settlements, disposal on lunar ground would require at least some element of control. Finally, establishing rules for the disposal of spacecraft will surely influence the design of the future missions towards the Moon [8]. This research proposes to extend the systematic mapping approach used around the Earth [9]. Using long-term propagation in non-keplerian, multi-body orbital dynamics, it will be possible to create a dynamic cartography of the cislunar space. Based on different future lunar traffic scenarios, the lunar and cislunar debris environment will be simulated, and different disposal strategies will be proposed with the aim of providing the technical foundations to establish guidelines for future lunar missions. A case study focused on Cubesats constellations in cislunar space will be developed, considering deploying, orbit maintenance and disposal strategies. Europe wants to take an integral part in Moon exploration. There is a genuine interest to explore the technical disposal options in order to prepare with a clear position towards upcoming standardisation and best practices, also considering that disposal strategies in the lunar environment have not yet been thoroughly addressed. Bibliography [1] F. Letizia, C. Colombo, J. Van Den Eynde, R. Armellin, and J. Rüdiger, “SNAPPSHOT : Suite for the numerical analysis of planetary protection,” 2016. [2] B. Hufenbach et al., “International missions to lunar vicinity and surface - Near-Term mission scenario of the global space exploration roadmap,” 2015. [3] R. J. Whitley et al., “Earth-Moon Near Rectilinear Halo and Butterfly Orbits for Lunar Surface Exploration,” 2018. [4] M. Lo and S. Ross, “The Lunar L1 Gateway : portal to the stars and beyond,” Pasadena, CA : Jet Propulsion Laboratory, National Aeronautics and Space Administration, 2001., Aug. 2001. [5] I. A. Crawford, “Lunar resources: A review,” Prog. Phys. Geogr., vol. 39, no. 2, pp. 137–167, 2015. [6] W. S. Koon, M. W. Lo, J. E. Marsden, and S. D. Ross, Dynamical Systems, the Three-Body Problem and Space Mission Design. 2009. [7] D. Guzzetti, E. M. Zimovan, K. C. Howell, and D. C. Davis, “Stationkeeping analysis for spacecraft in lunar near rectilinear halo orbits,” Adv. Astronaut. Sci., vol. 160, no. May, pp. 3199–3218, 2017. [8] R. Jehn and F. Renk, “Impact of Space Debris Mitigation Requirements on,” no. June, pp. 1–5, 2017. [9] A. J. Rosengren, D. K. Skoulidou, K. Tsiganis, and G. Voyatzis, “Dynamical cartography of Earth satellite orbits,” Adv. Sp. Res., vol. 63, no. 1, pp. 443–460, 2019.