Study of heliocentric escape dynamics from Earth-Moon L2 Near Rectilinear Halo Orbits

The increasing use of Near-Rectilinear Halo Orbits (NRHOs) in the Earth-Moon system requires the definition of reliable End-of-Life (EoL) strategies to prevent long-term accumulation of inactive spacecraft in the cislunar environment. Among the proposed solutions, heliocentric disposal represents a promising option, as it enables the spacecraft to permanently leave the Earth-Moon region. However, despite the recognised influence of the relative Sun-Earth-Moon configuration on escape trajectories, the mechanisms governing heliocentric disposal from NRHOs remain only partially understood. This thesis investigates heliocentric escape from Earth-Moon L2 NRHOs within the coupled Circular Restricted Three-Body Problem (CR3BP) framework. The analysis exploits invariant manifold dynamics to generate disposal trajectories and includes a systematic parametric study in which the orbital phase angle and the relative Sun-Earth-Moon configuration are varied. The results are synthesised in escape maps constructed for four representative NRHOs, characterised by different dynamic properties. These maps reveal the coexistence of regular escape regions and highly fragmented areas associated with increased dynamical sensitivity. Overall, the escape behaviour is shown to depend on both the orbital phase and the relative Sun-Earth-Moon configuration, confirming the central role of geometry in shaping the heliocentric disposal dynamics. To support the interpretation of the observed structures, additional dynamical indicators including the Jacobi Constant (JC) and the Finite-Time Lyapunov Exponent (FTLE), are considered to further characterise the escape dynamics. Overall, this work provides a structured dynamical framework for understanding heliocentric disposal from NRHOs and supports the development of more systematic EoL strategies in the cislunar environment.

L’impiego crescente delle Orbite Halo Quasi Rettilinee (NRHOs) nel sistema Terra-Luna richiede la definizione di strategie di Fine Vita (EoL) affidabili, al fine di prevenire l’accumulo a lungo termine di veicoli spaziali inattivi nell’ambiente cislunare. Tra le soluzioni proposte, il disposal eliocentrico rappresenta un’opzione promettente, poiché consente al veicolo di abbandonare permanentemente la regione Terra-Luna. Tuttavia, nonostante sia riconosciuta l’influenza della configurazione relativa Sole-Terra-Luna sulle traiettorie di fuga, i meccanismi che governano il disposal eliocentrico dalle NRHOs risultano ancora solo parzialmente compresi. La presente tesi analizza la fuga eliocentrica da NRHOs attorno a L2 del sistema Terra-Luna nell’ambito del Problema Circolare Ristretto dei Tre Corpi (CR3BP) accoppiato. L’analisi sfrutta la dinamica delle varietà instabili delle NRHO per generare traiettorie di smaltimento e include uno studio parametrico sistematico in cui vengono variati l’angolo di fase orbitale e la configurazione relativa Sole-Terra-Luna. I risultati sono sintetizzati in mappe di fuga costruite per quattro NRHOs rappresentative, caratterizzate da differenti proprietà dinamiche. Tali mappe rivelano la coesistenza di regioni di fuga regolari e di aree fortemente frammentate associate a una maggiore sensibilità dinamica. Nel complesso, il comportamento di fuga risulta dipendere sia dalla fase orbitale sia dalla configurazione relativa Sole-Terra-Luna, confermando il ruolo centrale della geometria nel determinare la dinamica del disposal eliocentrico. A supporto dell’interpretazione delle strutture osservate, vengono inoltre considerati ulteriori indicatori dinamici, tra cui la Costante di Jacobi (JC) e l’Esponente di Lyapunov a Tempo Finito (FTLE), al fine di caratterizzare ulteriormente la dinamica di fuga. Nel complesso, questo lavoro fornisce un quadro strutturato per la comprensione del disposal eliocentrico da NRHOs e supporta lo sviluppo di strategie di EoL più sistematiche nell’ambiente cislunare.