Advanced orbit propagation methods applied to asteroids and space debris

Resumen

RESUMEN: Los asteroides y la basura espacial plantean amenazas relevantes para la civilización, tanto en el espacio como en la tierra. Al mismo tiempo, presentan varios desafíos científicos y ingenieriles en común, que tienen que ser enfrentados en el contexto de la Space Situational Awareness (SSA). Para mejorar las tecnologías de SSA actuales y futuras, se necesitan métodos de propagación de órbita robustos y eficientes. El objetivo principal de esta tesis es demostrar que métodos basados en formulaciones regularizadas de la dinámica aseguran importantes ventajas en los problemas de propagación de asteroides y basura espacial más difíciles. Las formulaciones regularizadas se obtienen eliminando la singularidad 1/r2 en las ecuaciones de movimiento Newtonianas a través de un procedimiento analítico. Las ecuaciones regularizadas resultantes exhiben prestaciones numéricas excelentes. En esta tesis, consideramos la formulación Kustaanheimo-Stiefel y varios métodos de la familia Dromo, que representan la trayectoria con un conjunto de elementos orbitales no clásicos. En la primera parte, nos concentramos en la propagación orbital de encuentros cercanos planetarios, y consideramos distintos casos de prueba. Como escenarios de alta relevancia aplicativa, propagamos encuentros resonantes de varios asteroides ficticios, midiendo el error en las coordenadas en el b-plane. Para generalizar los resultados, llevamos a cabo simulaciones a gran escala en el problema de los tres cuerpos restringido circular usando una parametrización bidimensional. Analizamos el caso del asteroide (99942) Apophis, dedicando atención particular a la amplificación del error numérico consecuente a su encuentro cercano profundo en el 2029. Se emplean dos distintos integradores, confirmando la independencia de los resultados del algoritmo de integración. Uno de los integradores, implementado en la rutina XRA15, es una mejora del esquema Everhart-Radau tradicional, y ha sido desarrollado especificamente para el estudio. La segunda parte está dedicada a la predicción de largo plazo de órbitas de satélites terrestres. Comparamos formulaciones regularizadas a un método semianalítico en elementos equinocciales para distintos regímenes orbitales y perturbaciones. Los parámetros que afectan la eficiencia de la propagación semianalítica se calibran con un análisis de las diferentes contribuciones al error de integración, que también expone los límites de aplicación de estos métodos. Las formulaciones regularizadas tienen evidentes ventajas para órbitas altamente elípticas y super-síncronas, y tienen prestaciones prometedoras para análisis de tiempo de vida y exploraciones numéricas del espacio cislunar. En la tercera y última parte, se presentan unas aplicaciones a la prevención de impactos asteroidales. Exponemos los resultados de una deflexión geográfica del asteroide ficticio 2015PDC obtenida con un sistéma Ion Beam Shepherd. Finalmente, desarrollamos un estudio sistemático de los potenciales retornos resonantes del asteroide ficticio 2017PDC después de su deflexión con un artefacto nuclear.