optimisation of low-energy transfers between halo and near rectilinear halo orbits

In the past years, the space industry has seen an increased interest in the cis–lunar space, especially towards the use of Near Rectilinear Halo Orbits for their unique stability, res- onance and accessibility characteristics. With the current development of the Lunar Gateway, a space station on a NRHO orbit around the Moon that aims at establishing continuous and sustainable human presence in the lunar environment and also serves the purpose of an outpost for interplanetary manned missions, further validations on dynamical models of NRHO orbits are needed, since only one mission targeting such orbits, CAPSTONE, has been launched so far. Due to the fact that space missions on Halo orbits are much more common, low–energy operational transfers from Halo to NRHO orbit might be needed to re-purpose small satellite with some extra ∆V budget to perform technological demonstration around NRHOs. For these reasons, this thesis focuses on the optimisation of low-energy transfers between the Halo orbits and Near Rectilinear Halo Orbits (NRHO) in the context of the cis-lunar L2 Lagrange point. The model used is the Circular Restricted Three Body Problem (CRTBP) and the sets of orbits used for the transfers are for the NRHO set a mix of significantly resonant orbits and low-perigee ones, while for the Halo set, the chosen orbits are the same energy orbits of the NRHO set due to the bifurcation nature of the problem. The low-energy transfers are performed in both ways exploiting the Halo orbit’s unstable and stable invariant manifolds to converge to and diverge from Halo orbits. From an educated initial guess retrieved by the hyper-surface of the invariant manifold themselves, a two-impulse strategy has been implemented with the first impulse to depart from the departure orbit and the second one to converge to the target one. Furthermore, a transfer refinement has been made with the addition of an internal impulse whose direction and timing follow the primer vector theory.

Negli ultimi anni, l’industria spaziale ha visto un crescente interesse nella regione di spazio cis-lunare, in particolare verso l’uso delle Near Rectilinear Halo Orbits per le loro uniche caratteristiche di stabilità, risonanza e accessibilità. Con lo sviluppo attuale della Lunar Gateway, una stazione spaziale in orbita NRHO intorno alla Luna che mira a stabilire una presenza umana continua e sostenibile nella regione cis-lunare e potrebbe anche servire come avamposto per missioni spaziali interplan- etarie con equipaggio; sono necessarie ulteriori validazioni sui modelli dinamici delle orbite NRHO, poiché finora è stata lanciata solo una missione attorno ad esse, CAPSTONE. A causa del fatto che le missioni spaziali sulle orbite Halo sono molto più comuni, potrebbero essere necessari trasferimenti operativi a bassa energia dalle orbite Halo alle orbite NRHO per riprogrammare piccoli satelliti con un extra budget di ∆V ad eseguire dimostrazioni tecnologiche intorno alle NRHO. Per questi motivi, questa tesi si concentra sull’ottimizzazione di trasferimenti a bassa en- ergia tra le orbite Halo e le NRHO nel contesto del punto di Lagrange L2. Il modello utilizzato è il Circular Restricted Three Body Problem (CRTBP) e i set di orbite utilizzati per i trasferimenti sono, per il set NRHO, un mix di orbite significativamente risonanti e con basso perigeo; mentre per il set di orbite Halo, le orbite scelte sono quelle con la stessa energia del set di NRHO a causa della natura di biforcazione del problema. I trasferimenti a bassa energia vengono effettuati in entrambe le direzioni sfruttando gli invariant manifold instabili e stabili delle orbite Halo per convergere e divergere dalle stesse. Partendo da una condizione initiale ottenuta dalla superficie iperbolica dei man- ifold, è stata implementata una strategia a due impulsi con il primo impulso per partire dall’orbita di partenza e il secondo impulso per convergere sull’orbita di destinazione. Inoltre, è stata effettuata una strategia di miglioramento del trasferimento con l’aggiunta di un impulso interno il cui orientamento e tempismo seguono la teoria del primer vector.