Un diseño preliminar de una órbita de baja altitud de naves espaciales para monitorizar el planeta Marte

Abstract

[ES] Este trabajo se basa en la investigación de qué tipo de órbita y sus parámetros orbitales satisfacen mejor a una nave espacial para completar la misión a la menor altitud posible en Marte,dado que esto tendría numerosas ventajas para la investigación del planeta, las cuales podrían incluir una mejora en las imágenes, la altimetría y la gravedad, todas ellas necesarias para que los futuros robots puedan medir con alta resolución y precisión. Se han realizado investigaciones en algunas misiones anteriores, siendo la más importante la realizada por Nasa MRO "Mars Reconnaissance Orbiter".

Como primer acercamiento al proyecto, los valores iniciales se tomarán de la misión MRO. Un estudio de la ecuación de Kepler es necesario para lograr este objetivo, junto con varios integradores, tanto en coordenadas cartesianas como en parámetros orbitales. Otra parte importante del proyecto es la simulación de los armónicos zonales y la resistencia al arrastre. Estas son las aceleraciones perturbativas más importantes y deben agregarse para obtener resultados realistas. El modelo de densidad también se ha tenido en cuenta debido a las grandes alturas que estamos considerando con respecto al nivel del mar, donde se usa un software externo para simular el valor de la densidad en ambos hemisferios. Esto es de vital importancia para la aceleración de arrastre, ya que depende directamente de este valor. Además, se tiene en cuenta las diferencias entre estaciones, ya que el valor de densidad depende en gran medida de ellas debido a la diferencia de temperatura que cada una de ellas experimenta.

La parte final del proyecto consiste en un proceso iterativo. Después de calcular las tasas de radio de pariapsis, semieje mayor y excentricidad para el MRO, se consideran diferentes altitudes. Para cada una de estas altitudes, los valores del argumento de periapsis y la excentricidad se toman a la misma tasa que los parámetros mencionados anteriormente. La idea es calcular una órbita con una altitud inferior a la del MRO que sea estable, la cual se puede considerar estable si la tasa de excentricidad y semieje mayor al final de un cierto período de tiempo es similar a la obtenida por el MRO. Después de calcular la nueva órbita, y si los valores convergen a un resultado realista, se realizará un estudio del combustible y las maniobras de corrección.

[EN] This work is based on the investigation of which kind of orbit and its orbital parameters would best satisfy a spacecraft in order to complete the mission at the lowest altitude possible in Mars, as this would have numerous advantages for the investigation of the planet, which could mean an improvement in imagery, altimetry and gravity, all of them needed for future robots to be able to measure with high resolution and precision. Research in some previous missions has been made, being the most important the one made by Nasa MRO "Mars Reconnaissance Orbiter".

As a first approach to the project, the initial values will be taken from MRO mission. A study and solution of Kepler's equation is needed to achieve this objective, together with several integrators, both in cartesian coordinates and in orbital parameters. Another important part of the project is the simulation of the zonal harmonics and the drag resistance. These are the most important perturbative accelerations and need to be added in order to obtain realistic results. The density model has also been taken into account due to the high altitudes we are considering with respect to sea-level, where an external software is used to simulate the value of the density in both hemispheres. This is of vital importance for the drag acceleration, as it directly depends on this value. Moreover, differences between seasons are made, as the density value depend highly on them due to the difference in temperature each of them experience.

The final part of the proyect cosists in an iterative process. After calculating the rates of the radius of pariapsis, semi-major axis and eccentricity for the MRO, different altitudes are considered. For each of this altitudes, the values of the argument of periapsis and the eccentricity are taken at the same rate of the parameters mentioned before. The idea is to calculate an orbit with lower altitude than the MRO being stable, which can be considered stable if the rate of both eccentricity and semi-major axis at the end of a certain amount of time are similar to the ones obtained by the MRO mission. After calculating the new orbit, and if the values converge to a realistic result, a study of the fuel and correction manouvers will be made.