Nouvelle méthode pour les trajectoires de vaisseaux spatiaux vers le NRHO

Concevoir des Trajectoires pour des vaisseaux spatiaux qui vont de la Terre à l'Orbite Halo Rectiligne Proche (NRHO) est super complexe. NRHO est prévue comme une zone de préparation pour la Gateway de la NASA, qui soutiendra des missions vers la Lune et au-delà. Un gros défi, c’est que les systèmes de propulsion à faible poussée offrent un contrôle limité, rendant les manœuvres précises difficiles. De plus, ces vaisseaux doivent éviter de passer trop de temps dans des Éclipses solaires puisqu'ils dépendent des panneaux solaires pour l'énergie ; idéalement, chaque éclipse ne devrait pas durer plus de 90 minutes.

#Le Problème

Les trajectoires à faible poussée posent des difficultés uniques à cause de leur faible accélération, ce qui peut faire que les temps de vol durent un an ou plus. Le voyage comprend plusieurs phases où l'influence de la gravité de la Terre se transforme en celle de la Lune. Les concepteurs doivent décomposer le voyage en petites parties pour le résoudre avec succès. Les méthodes actuelles utilisent souvent des techniques d'Optimisation indirectes, qui peuvent être complexes et longues. Ces méthodes intègrent parfois des transitions douces pour gérer des interruptions comme des changements de throttle et des entrées/sorties d'éclipse.

Les éclipses posent un obstacle majeur, surtout pour les missions comme le Véhicule Co-Manifesté (CMV) pour la Gateway. De longues périodes sans soleil peuvent vider les batteries, risquant une panne. Donc, garder les durées d'éclipse courtes est crucial.

#Une Nouvelle Approche

Cette analyse présente une nouvelle méthode utilisant une approche de Contrôle de Lyapunov pour créer des trajectoires efficaces qui respectent les exigences d'éclipse. La loi de contrôle, tirée de la théorie de la stabilité de Lyapunov, aide à gérer les mouvements des vaisseaux pour les garder sur la bonne voie. En utilisant l'optimisation par essaim de particules, un algorithme efficace, on peaufine des paramètres cruciaux comme la date d'insertion dans le NRHO, le temps de vol et les valeurs de la loi de contrôle.

L'objectif principal est d'atteindre le NRHO rapidement tout en respectant les contraintes d'éclipse. La méthode permet un processus de conception plus simple, réduisant la dépendance aux ajustements manuels.

#Pourquoi la Gestion des Éclipses est Essentielle

Les éclipses peuvent avoir un impact significatif sur le succès de la mission. Pour les vaisseaux à faible poussée, de longs temps d'éclipse peuvent entraîner des pannes de systèmes critiques. Donc, créer un grand nombre de chemins de référence potentiels pour différents temps de départ peut aider à identifier des fenêtres de lancement plus sûres. Pourtant, toutes les opportunités de lancement ne seront pas pratiques.

Une étude sur la mission Artemis I a révélé qu'environ 18 % des jours de lancement n'étaient pas réalisables à cause des contraintes d'éclipse. La méthode de conception prend en compte ces défis, s'assurant que les durées d'éclipse sont prises en compte et gérées efficacement.

#Le Processus Expliqué

La méthode proposée commence par modéliser la trajectoire du vaisseau dans un cadre de coordonnées désigné. Les mouvements du vaisseau sont calculés en fonction de sa position et de sa vitesse. Des facteurs comme la gravité de la Terre et de la Lune et les influences solaires sont intégrés dans le modèle, s'assurant que tous les aspects de l'environnement affectent la trajectoire efficacement.

En calculant les chemins, chaque événement est suivi pour déterminer si le vaisseau entre dans une éclipse ou intersecte la surface de la Terre ou de la Lune. Si une éclipse est détectée, le vaisseau ralentit, s'assurant qu'il n'épuise pas son approvisionnement en énergie. La durée de ces éclipses est calculée régulièrement, permettant des ajustements à la trajectoire si nécessaire.

#Techniques d'Optimisation

Pour optimiser la trajectoire, l'équipe utilise une méthode appelée tir multiple. Cette approche permet une meilleure gestion des phases de la trajectoire. Une fonction de contrôle de Lyapunov (CLF) aide à surveiller la performance du système.

Une CLF est un outil mathématique qui décrit à quel point le système est éloigné de son état désiré. Si la CLF diminue avec le temps, la trajectoire converge vers le chemin voulu. Cette technique de contrôle est facile à mettre en œuvre et ne dépend pas de connaissances préalables sur la trajectoire mais plutôt sur l'état actuel du vaisseau spatial.

#Assurer des Solutions Viables

L'approche utilisée ici effectue une optimisation des paramètres pour atteindre divers objectifs : 1) s'assurer que le chemin s'aligne étroitement avec l'orbite prévue, 2) répondre aux critères de temps d'éclipse, et 3) minimiser le temps de trajet.

Étant donné l'importance de ne pas laisser le vaisseau passer trop de temps en éclipse, le processus d'optimisation prend directement ces contraintes en compte. Des simulations préliminaires ont montré une amélioration des jours de lancement réalisables, prouvant la valeur de la méthode.

#Modèle d'Éclipse

Ce travail prend en compte à la fois les éclipses de la Terre et de la Lune, en utilisant un modèle d'éclipse cylindrique spécifique. Les éclipses se produisent lorsque la Terre ou la Lune bloque la lumière du soleil atteignant le vaisseau spatial. En sachant cela, le modèle calcule quand et où ces ombres se produisent.

Des paramètres sont définis pour déterminer les angles et les distances impliqués, aidant à établir quand le vaisseau sera dans l'ombre. Cette info est cruciale pour planifier le chemin efficacement.

#Modélisation de Trajectoire

La trajectoire est modélisée en arrière, en commençant par l'état NRHO désiré et en revenant au lancement depuis la Terre. Cette méthode permet de la flexibilité pour déterminer des paramètres de lancement comme la date, l'heure et l'orientation exactes du GTO.

Les conditions limites sont établies en fonction des caractéristiques de trajectoire désirées, y compris des angles et distances spécifiques. Le NRHO est traité comme un point défini, ce qui aide à gérer les calculs efficacement.

#Problème d'Optimisation de Trajectoire

L'objectif est de minimiser le temps nécessaire pour le voyage tout en s'assurant que le vaisseau reste sur la bonne voie et évite de longues durées d'éclipse. Le problème d'optimisation est présenté comme un ensemble de contraintes qui doivent être respectées pendant les calculs.

Les paramètres impliqués incluent la date d'entrée dans le NRHO, le temps de vol, et les réglages de la loi de contrôle. Le processus d'optimisation intègre ces paramètres dans une seule fonction de coût, permettant d'évaluer la meilleure trajectoire.

#Fonction de Contrôle-Lyapunov

La CLF sert de guide pour s'assurer que la trajectoire est optimisée pour plusieurs facteurs, y compris la sécurité et l'efficacité.

Au lieu de s'appuyer uniquement sur des méthodes traditionnelles, cette approche utilise une matrice de paramètres complète pour fournir une représentation plus globale des trajectoires possibles. Cette adaptabilité est cruciale pour un contrôle efficace avec un minimum d'ajustements.

#Ajustements Spécifiques pour les Éclipses

Tout en optimisant, chaque fonction suit si le vaisseau entre dans une éclipse. Si c'est le cas, le processus d'intégration s'arrête, permettant une réévaluation et des ajustements à la trajectoire tout en s'assurant que les contraintes d'éclipse restent satisfaites.

Si la trajectoire ne peut pas satisfaire toutes les contraintes, des pénalités sont appliquées pour décourager les solutions indésirables. Cette logique simplifie le processus d'optimisation, le rendant plus efficace et moins manuel.

#Résultats et Conclusions

Le résultat de ces efforts souligne la viabilité de cette nouvelle méthode pour créer des trajectoires à faible poussée. En utilisant l'approche de contrôle de Lyapunov, des solutions viables pour les éclipses peuvent être trouvées rapidement, parfois en moins d'une heure.

De nombreuses simulations ont abouti à des succès, avec des trajectoires capables de maintenir un temps de vol respectant les contraintes opérationnelles. Les résultats indiquent qu'en traitant les données de manière précise et rapide, des méthodes de contrôle innovantes peuvent mener à des conceptions de vaisseaux spatiaux plus efficaces pour les missions futures.

#Conclusion

Cette étude propose une méthode efficace pour planifier des trajectoires de vaisseaux spatiaux à faible poussée vers le NRHO tout en gérant les durées d'éclipse. L'adaptabilité de l'approche de contrôle de Lyapunov améliore le processus de conception, facilitant l'identification des opportunités de lancement réalisables et l'optimisation des performances.

En combinant diverses techniques d'optimisation et en tenant compte des éclipses, la méthode répond aux principaux défis rencontrés dans les conceptions actuelles. Elle pose également les bases pour de futures recherches et développements dans l'optimisation de trajectoire pour les missions lunaires.

À travers l'exploration continue et l'apprentissage, les méthodes établies dans cette analyse peuvent s'avérer critiques pour la prochaine vague d'exploration spatiale, garantissant que les vaisseaux peuvent atteindre de nouveaux horizons avec plus de fiabilité et d'efficacité.