Algorithm implementation for trajectory optimization using low thrust motors

Abstract

[EN] A crucial step in the development of space missions is the design of the trajectory that the spacecraft must follow. A simple definition of the objective of these trajectories is to reach from one point to another point in space fulfilling a series of requirements that can be of different types, such as the time of flight or fuel consumption, among others. Spacecraft propelled by low-thrust engines are characterized by having thrust ranges around 1 N or even below that value, but they usually have a high specific impulse (1000 to 8000 s), making maneuvers with these engines very different from those performed with chemical engines, which, due to their greater thrust, are considered and therefore simulated as impulsive maneuvers. The high specific impulse allows carrying out missions similar to those of high thrust, reducing fuel consumption, and therefore favoring a greater payload, but the calculation of each trajectory requires a meticulous optimization study. The main objective of this work is to implement a method for the optimization of trajectories between two celestial bodies using low-thrust engines. Optimization refers to the minimization or maximization of one or more objective variables, such as the time of flight tf or consumed fuel mass. The final result shows that a low-thrust engine could minimize fuel consumption compared with impulsive trajectories. This result must be corroborated with the data from the Mars Orbiter Mission.

[ES] Una etapa esencial en el desarrollo de misiones espaciales es el diseño de la trayectoria que la nave debe seguir. Una definición simple del objetivo de estas trayectorias es la de llegar de un punto a otro punto del espacio cumpliendo una serie de requerimientos que pueden ser de diferentes tipos, como por ejemplo de tiempo de vuelo o de carga de combustible entre otros. Las naves espaciales propulsadas por motores de bajo empuje se caracterizan por tener rangos de empuje en torno a 1 N o incluso por debajo de ese valor pero sueles tener un alto impulso específico (1000 a 8000 s), siendo las maniobras con estos motores muy diferentes a las realizadas con motores químicos, que al disponer de mayor empuje son consideradas y por tanto simuladas como maniobras impulsivas. El elevado impulso específico permite llevar a cabo misiones similares a las de alto empuje reduciendo el gasto de combustible, y por tanto, favoreciendo a una mayor carga de pago pero el cálculo de cada trayectoria requiere de un minucioso estudio de optimización. El objetivo principal de este Trabajo es implementar un método para la optimización de trayectorias entre dos cuerpos celestes utilizando motores de bajo empuje. La optimización hace referencia a la minimización o maximización de una o varias variables objetivo como por ejemplo el tiempo de vuelo (TOF) o la masa de combustible consumida.

[CA] Una etapa essencial en el desenvolupament de missions espacials és el disseny de la trajectòria que la nau ha de seguir. Una definició simple de l'objectiu d'estes trajectòries és la d'arribar d'un punt a un altre punt de l'espai complint una sèrie de requeriments que poden ser de diferents tipus, com per exemple de temps de vol o de càrrega de combustible entre altres. Les naus espacials propulsades per motors de baix empenyiment es caracteritzen per tindre rangs d'empenyiment entorn d'1 N o fins i tot per davall d'eixe valor però sols tindre un alt impuls específic (1000 a 8000 s), sent les maniobres amb estos motors molt diferents a les realitzades amb motors químics, que en disposar de major empenyiment són considerades i per tant simulades com a maniobres impulsives. L'elevat impuls específic permet dur a terme missions similars a les d'alt empenyiment reduint la despesa de combustible, i per tant, afavorint a una major càrrega de pagament però el càlcul de cada trajectòria requereix d'un minuciós estudi d'optimització. L'objectiu principal d'este Treball és implementar un mètode per a l'optimització de trajectòries entre dos cossos celestes utilitzant motors de baix empenyiment. L'optimització fa referència a la minimització o maximització d'una o diverses variables objectiu com per exemple el temps de vol (TOF) o la massa de combustible consumida.