Chen Gao defiende su tesis sobre la dinámica y control de satélites artificial en entornos de libración colineales

Desde principios del siglo XXI, continuando con importantes resultados alcanzados durante el siglo pasado en cuanto a satélites artificiales orbitando La Tierra y vuelos tripulados, la comunidad espacial ha incrementado el interés en el estudio y utilización del entorno Sol -Tierra/Luna. En esta nueva era, el desarrollo de misiones espaciales pone especial énfasis en la precisión de los modelos y en el uso de tecnologías basadas en impulso débil. Debido a la riqueza dinámica asociada a los puntos de equilibrio del Problema Restringido de Tres Cuerpos (RTBP), las órbitas de libración a su alrededor nos proporcionan localizaciones ventajosas para muchas misiones científicas. Afortunadamente, estos objetos invariantes que encontramos en el RTBP persisten cuando se le añade un impulso débil adecuado, lo que en obra oportunidades adicionales de observación y comunicación con el satélite. Además, el impulso débil continuo puede servirnos para conseguir un control activo, incluyendo el mantenimiento en estación y operaciones orbitales, que son muy importantes en misiones espaciales avanzadas.

Este trabajo está dedicado al estudio de la dinámica y control de satélites artificiales en entornos de libración colineal considerando impulso débil. Los resultados más importantes son los siguientes:

1. Determinación y análisis del desplazamiento de la órbita de un satélite híbrido con vela situado alrededor del punto L2 en el modelo Terra-Luna eliptic. Este modelo dinámico incluye las excentricidades orbitales de los sistemas Terra-Luna y Sol-Terra/Luna, así como la aceleración debida a la presión de radiación solar donde la inclinación del plan orbital de la Luna respecto a la eclíptica se tiene en cuenta. El problema se formula usando la dinámica lineal en torno al punto L2, mientras que la propulsión eléctrica auxiliar se utiliza para estabilizar la órbita. Tomando las exentricidades orbitales y la inclinación como pequeñas cantidades, y con aproximaciones de primer orden, el problema de la generación de órbitas desplazadas se transforma en el cálculo de soluciones de unas ecuaciones algebraicas. Las soluciones analíticas aproximadas de las ecuaciones son básicamente órbitas casi periódicas desplazadas, con la distancia fuera del plano determinada por la reflectividad de la vela y los ángulos de actitud. Se propone también un controlador backstep para asegurar un seguimiento preciso, mientras que la reflectividad y orientación de la vela híbrida se optimiza minimizando la parte de propulsión eléctrica.

2. Cálculo, mantenimiento en estación y control de actitud de órbitas periódicas de libración resonante en el RTBP circular Terra-Luna. Para empezar, se establece la órbita y la dinámica de actitud de un satélite con vela híbrida de alta fidelidad, donde los dispositivos de control por reflectividad se consideran como actuadores. Mediante el uso de un método de tiro paralelo, combinado con una continuación respecto a la aceleración inducida en la vela solar, se investigan las familias de órbitas Lyapunov y halo resonantes. Debido al entorno tan perturbado del sistema Terra-Luna, es necesario un sistema auxiliar de propulsión eléctrica para el mantenimiento en estación de las órbitas. Para conseguir una alta precisión en el mantenimiento en estación y para minimizar el consumo de propulsor se propone una estrategia ensamblada de control orbital y de actitud. Ésta consta de tres partes: un controlador orbital periódico optimal, una optimización de aceleración proveniente de la propulsión eléctrica y un controlador backstep robusto para la actitud. En particular, en las simulaciones se han incorporado perturbaciones en las observaciones y en las fuerzas y momentos para el control de actitud, lo que resalta la robustez del método.

3. Estudio de la influencia de la presión de radiación solar en la dinámica de los sustitutos dinámicos de L1 y L2 en el problema casi-bicircular Tierra-Luna. Este modelo es una perturbación periódica del RTBP que incluye el efecto gravitacional del Sol y la aceleración producida por la presión de radiación solar en la vela del satélite. Empezando por los objetos invariantes más sencillos del problema cuasibicircular, es decir, los sustitutos dinámicos de los dos puntos de equilibrio, así como órbitas periódicas resonantes de bajo orbol con el período sinódico del Sol, se investiga la evolución de estas órbitas variando dos parámetros de la vela que definen su orientación y eficiencia. El estudio muestra una intrincada telaraña de conexiones entre las familias. También se ha encontrado que, por ciertos valores de los parámetros existen órbitas periódicas estables con la presión de radiación.

4. Mantenimiento en estación de órbitas de libración usando propulsión débil continua. Basándonos en propiedades dinámicas del espacio de fases cerca de las órbitas de libración se desarrollan dos procedimientos de control para este tipo de propulsión. La primera familia se obtiene como límite de maniobras impulsivas y la segunda mediante la remodelación de los modos de Copito. A pesar de seguir distintas ideas, el análisis geométrico de ambos procedimientos muestra que las estrategias pueden remodelar las estructuras dinámicas en torno a las órbitas de libración y estabilizar el movimiento. Con la ayuda de técnicas de transporte del jet, las leyes de control pueden escribirse explícitamente como polinomios en términos de las desviaciones entre el estado del satélite y su punto nominal en la órbita de referencia, lo que abre la posibilidad de implementaciones compactas que pueden ser puestas a bordo del mismo satélite. Las leyes de control que se proponen son geométricamente intuitivas, apropiadas para su implementación con dispositivos de impulso débil y los requerimientos de propulsor son razonables.