Tangential velocity constraint for orbital maneuvers with Theory of Functional Connections
Creators
- 1. Centro Hospitalar de Vila Nova de Gaia
- 2. University of Coimbra
- 3. Instituto de Telecomunicações
- 4. University of Aveiro
- 5. National Institute for Space Research
- 6. University of Beira Interior
Description
Maneuvering a spacecraft in the cislunar space is a complex problem, since it is highly perturbed by the gravitational influence of both the Earth and the Moon, and possibly also the Sun. Trajectories minimizing the needed fuel are generally preferred in order to decrease the mass of the payload. A classical method to constrain maneuvers is mathematically modeling them using the Two Point Boundary Value Problem (TPBVP), defining spacecraft positions at the start and end of the trajectory. Solutions to this problem can then be obtained with optimization techniques like the nonlinear least squares conjugated with the Theory of Functional Connections (TFC) to embed the constraints, which recently became an effective method for deducing orbit transfers. In this paper, we propose a tangential velocity (TV) type of constraints to design orbital maneuvers. We show that the technique presented in this paper can be used to transfer a spacecraft (e.g. from the Earth to the Moon) and perform gravity assist maneuvers (e.g. a swing-by with the Moon). In comparison with the TPBVP, solving the TV constraints via TFC offers several advantages, leading to a significant reduction in computational time. Hence, it proves to be an efficient technique to design these maneuvers.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
إن مناورة مركبة فضائية في الفضاء الهلالي هي مشكلة معقدة، لأنها مضطربة للغاية بسبب تأثير الجاذبية لكل من الأرض والقمر، وربما الشمس أيضًا. يفضل بشكل عام المسارات التي تقلل من الوقود المطلوب من أجل تقليل كتلة الحمولة. تتمثل الطريقة الكلاسيكية لتقييد المناورات في نمذجتها رياضيًا باستخدام مشكلة القيمة الحدية ذات النقطتين (TPBVP)، وتحديد مواقع المركبات الفضائية في بداية ونهاية المسار. يمكن بعد ذلك الحصول على حلول لهذه المشكلة باستخدام تقنيات التحسين مثل المربعات الصغرى غير الخطية المقترنة بنظرية الاتصالات الوظيفية (TFC) لتضمين القيود، والتي أصبحت مؤخرًا طريقة فعالة لاستنتاج عمليات نقل المدار. في هذه الورقة، نقترح نوعًا من القيود على السرعة العرضية (TV) لتصميم المناورات المدارية. نوضح أن التقنية المقدمة في هذه الورقة يمكن استخدامها لنقل مركبة فضائية (على سبيل المثال من الأرض إلى القمر) وإجراء مناورات مساعدة الجاذبية (على سبيل المثال التأرجح مع القمر). بالمقارنة مع TPBVP، فإن حل قيود التلفزيون عبر TFC يوفر العديد من المزايا، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في الوقت الحسابي. وبالتالي، ثبت أنها تقنية فعالة لتصميم هذه المناورات.Translated Description (French)
Manœuvrer un vaisseau spatial dans l'espace cislunaire est un problème complexe, car il est fortement perturbé par l'influence gravitationnelle de la Terre et de la Lune, et peut-être aussi du Soleil. Les trajectoires minimisant le carburant nécessaire sont généralement préférées afin de diminuer la masse de la charge utile. Une méthode classique pour contraindre les manœuvres consiste à les modéliser mathématiquement à l'aide du problème de la valeur limite en deux points (TPBVP), en définissant les positions des engins spatiaux au début et à la fin de la trajectoire. Des solutions à ce problème peuvent ensuite être obtenues avec des techniques d'optimisation telles que les moindres carrés non linéaires conjugués à la théorie des connexions fonctionnelles (TFC) pour intégrer les contraintes, qui est récemment devenue une méthode efficace pour déduire les transferts d'orbite. Dans cet article, nous proposons un type de contraintes de vitesse tangentielle (TV) pour concevoir des manœuvres orbitales. Nous montrons que la technique présentée dans cet article peut être utilisée pour transférer un vaisseau spatial (par exemple de la Terre à la Lune) et effectuer des manœuvres d'assistance gravitationnelle (par exemple une balançoire avec la Lune). Par rapport au TPBVP, la résolution des contraintes TV via TFC offre plusieurs avantages, conduisant à une réduction significative du temps de calcul. Par conséquent, il s'avère être une technique efficace pour concevoir ces manœuvres.Translated Description (Spanish)
Maniobrar una nave espacial en el espacio cislunar es un problema complejo, ya que está muy perturbado por la influencia gravitatoria tanto de la Tierra como de la Luna, y posiblemente también del Sol. Generalmente se prefieren trayectorias que minimicen el combustible necesario para disminuir la masa de la carga útil. Un método clásico para restringir las maniobras es modelarlas matemáticamente utilizando el problema del valor del límite de dos puntos (TPBVP), que define las posiciones de la nave espacial al inicio y al final de la trayectoria. Luego se pueden obtener soluciones a este problema con técnicas de optimización como los mínimos cuadrados no lineales conjugados con la Teoría de las Conexiones Funcionales (TFc) para incorporar las restricciones, que recientemente se convirtieron en un método efectivo para deducir las transferencias de órbita. En este trabajo, proponemos un tipo de restricciones de velocidad tangencial (TV) para diseñar maniobras orbitales. Mostramos que la técnica presentada en este documento se puede utilizar para transferir una nave espacial (por ejemplo, de la Tierra a la Luna) y realizar maniobras de asistencia por gravedad (por ejemplo, un swing-by con la Luna). En comparación con el TPBVP, la resolución de las restricciones de TV a través de TFc ofrece varias ventajas, lo que lleva a una reducción significativa del tiempo de cálculo. Por lo tanto, resulta ser una técnica eficiente para diseñar estas maniobras.Files
s41598-024-57986-z.pdf.pdf
Files
(2.7 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:842eea9eeae5cc975027e12a78555706
|
2.7 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- قيود السرعة المماسية للمناورات المدارية مع نظرية التوصيلات الوظيفية
- Translated title (French)
- Contrainte de vitesse tangentielle pour les manœuvres orbitales avec la théorie des connexions fonctionnelles
- Translated title (Spanish)
- Restricción de velocidad tangencial para maniobras orbitales con Teoría de Conexiones Funcionales
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4393311516
- DOI
- 10.1038/s41598-024-57986-z
References
- https://openalex.org/W105520857
- https://openalex.org/W1630596258
- https://openalex.org/W1668288285
- https://openalex.org/W1975655407
- https://openalex.org/W2002611062
- https://openalex.org/W2006377829
- https://openalex.org/W2011302318
- https://openalex.org/W2012885179
- https://openalex.org/W2025849695
- https://openalex.org/W2027172627
- https://openalex.org/W2029071607
- https://openalex.org/W2051547512
- https://openalex.org/W2064529553
- https://openalex.org/W2320101783
- https://openalex.org/W2507383439
- https://openalex.org/W2583864927
- https://openalex.org/W2594619940
- https://openalex.org/W2745032810
- https://openalex.org/W2903584390
- https://openalex.org/W2913513990
- https://openalex.org/W2934862726
- https://openalex.org/W2938302548
- https://openalex.org/W2952608859
- https://openalex.org/W2975214760
- https://openalex.org/W3130741801
- https://openalex.org/W3199618324
- https://openalex.org/W4220719790
- https://openalex.org/W4390104794