Estudio, desarrollo y optimización de transferencias orbitales a Psyche

Abstract

[ES] Este trabajo se centra en el estudio con diferentes metodologías de las órbitas de transferencia interplanetarias entre la Tierra y el asteroide 16-Psyche. Dichas metodologías corresponden al área de la Mecánica Orbital. El estudio calcula y analiza las maniobras necesarias para la realización de esas transferencias interplanetarias considerando únicamente que los cambios de velocidad aplicados al vehículo espacial son instantáneos en el tiempo (maniobras impulsivas). El estudio de dichas maniobras se segmenta en dos partes, una en la que se considera el vuelo directo desde la Tierra hasta Psyche y otra en la que se considera una maniobra de asistencia gravitatoria por un tercer cuerpo celeste. Este sobrevuelo o flyby se calcula con el objetivo de intentar reducir el valor total de los impulsos que se han de aplicar al vehículo espacial para llegar hasta el asteroide. Reduciendo el impulso se reduce el combustible (y por tanto el peso) que se debe de llevar a bordo de la nave. El objetivo de este trabajo es la obtención de posibles ventanas de lanzamiento a lo largo de un periodo de 10 años (2020-2030) en función de los valores de impulsos requeridos. Inicialmente se realiza un estudio para el caso de vuelo orbital directo aplicando el método de aproximación por cónicas, en el que la maniobra se divide en tres órbitas: la órbita alrededor del Sol para desplazarse desde la Esfera de influencia de la Tierra hasta la de Psyche es una órbita de Hohmann, mientras que dentro de las respectivas esferas de influencia la nave sigue órbitas hiperbólicas. Posteriormente se analiza el caso del vuelo directo entre ambas esferas, resolviendo el problema de Lambert. También se estudia el caso de la asistencia gravitatoria en Venus y Marte, llegando a considerar la posibilidad de aplicar un pequeño impulso en el perigeo de la órbita de sobrevuelo. Este caso, se estudia teóricamente mediante el método de aproximación por cónicas, donde en este caso las órbitas alrededor del Sol para desplazarse entre las esferas de influencia serán orbitas bi-impulsivas, pero no de Hohmann. Posteriormente se estudia mediante la resolución de dos problemas de Lambert, uno entre la esfera de influencia de la Tierra y la del planeta donde se realice la asistencia gravitatoria y otro entre la esfera de influencia del planeta del flyby y la de Psyche, uniendo ambas partes mediante la resolución de la órbita de sobrevuelo.

[EN] Study in orbital mechanic field, focusing in the resolution of an interplanetary transfer orbit between the Earth and the asteroid 16-Psyche trough different methodologies. In this study it is resolved and analyzed the different maneuvers, required for the resolutions of those transfer orbits, evaluating only the cases in which the speed change applied over the vehicle can be considered to be instantaneous (impulsive maneuvers). The study of those maneuvers is divided in two parts, the first one that considers the direct fly from the Earth to (16) Psyche and the one that considers gravitational assistance through the execution of a fly by maneuver over a third celestial body. Where the objective in the study of the last of those maneuvers is the reduction in the impulse required by the spacecraft, thus reducing the required fuel and the weight that needs to be carried. Being the main goal of this study, the resolution of the transfer orbits from the Earth to 16-Psyche in order to obtain launch windows in a 10 years time lapse (from 2020 to 2030), according to the required impulse for the feasibility of those launch windows. Initially it is studied the case of the direct flight trough the methodology of the patched conics, which is divided in three orbits: the orbit around the Sun to travel from the Earth s sphere of influence to that of 16-Psyche is a Hohmann orbit, whereas the orbits inside each of those spheres of influence are hyperbolic orbits. Subsequently, it is analyzed the direct transfer orbit between the spheres of influence of the Earth and 16-Psyche, solving Lambert s problem. Finally, it is studied the transfer orbit between the Earth and 16-Psyche for the gravitational assistant case in Venus and Mars, where it is considered the possibility of a small impulse in the perigee of the fly by orbit. This case is studied theoretically for the methodology of patched conics, where in this case the orbits around the Sun are bi-impulsive orbits (not Hohmann orbits). Finally, this case is also studies trough the resolution of two Lambert s problems. One between the sphere of influence of the Earth and that of the planet where the flyby is realized and the other between the sphere of influence of that planet and the sphere of influence of 16-Psyche, joining both orbits trough the resolution of the flyby orbit.