@MastersThesis{Schmitt:2022:OtTrBa,
author = "Schmitt, Rodrigo Nascente",
title = "Otimiza{\c{c}}{\~a}o de trajet{\'o}rias de baixo empuxo da
Terra {\`a} Lua considerando consumo de combust{\'{\i}}vel e
dose de radia{\c{c}}{\~a}o absorvida",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2022",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2022-03-04",
keywords = "cintur{\~a}o de Van Allen, cintur{\~a}o de radia{\c{c}}{\~a}o,
{\'o}rbita de baixo empuxo, transfer{\^e}ncia
interplanet{\'a}ria, otimiza{\c{c}}{\~a}o de {\'o}rbita, Van
Allen belts, low thrust orbit, interplanetary transfer, radiation
belts, orbit optimization.",
abstract = "Este trabalho apresenta uma s{\'e}rie de propriedades pertinentes
{\`a} transfer{\^e}ncia de uma espa{\c{c}}onave de uma
{\'o}rbita terrestre baixa (LEO) para a {\'o}rbita da Lua usando
um sistema de propuls{\~a}o el{\'e}trica (baixo empuxo).
Primeiro, um problema de otimiza{\c{c}}{\~a}o foi considerado
para encontrar as localiza{\c{c}}{\~o}es e comprimentos dos
arcos de empuxo que maximizam a massa final da espa{\c{c}}onave
em {\'o}rbitas de transfer{\^e}ncia, limitando assim o escopo
das trajet{\'o}rias {\`a}s mais eficientes em termos de
combust{\'{\i}}vel. Al{\'e}m disso, os cintur{\~o}es de Van
Allen foram modelados de acordo com a densidade de el{\'e}trons e
pr{\'o}tons em cada ponto do espa{\c{c}}o, a fim de medir a
radia{\c{c}}{\~a}o total absorvida pela espa{\c{c}}onave
atrav{\'e}s de uma integra{\c{c}}{\~a}o da densidade de
part{\'{\i}}culas ao longo do tempo correspondente. As
simula{\c{c}}{\~o}es puderam, ent{\~a}o, prever a
rela{\c{c}}{\~a}o entre a flu{\^e}ncia das part{\'{\i}}culas
e diversos par{\^a}metros iniciais, como a excentricidade da
{\'o}rbita inicial e as caracter{\'{\i}}sticas do sistema de
propuls{\~a}o. Em seguida, uma regress{\~a}o multilinear e uma
Rede Neural Artificial foram ajustadas aos dados atrav{\'e}s de
uma regress{\~a}o que relaciona a flu{\^e}ncia de pr{\'o}tons e
el{\'e}trons em fun{\c{c}}{\~a}o dos seguintes par{\^a}metros:
tempo de miss{\~a}o, impulso espec{\'{\i}}fico, empuxo, massa
final (consumo de propelente), altura inicial do perigeu,
excentricidade e inclina{\c{c}}{\~a}o. Essa an{\'a}lise se
mostrou poderosa devido aos valores expressivos dos testes
estat{\'{\i}}sticos, mostrando uma depend{\^e}ncia positiva
entre empuxo, tempo de miss{\~a}o e massa final da
espa{\c{c}}onave com a flu{\^e}ncia de part{\'{\i}}culas, e
uma depend{\^e}ncia negativa entre impulso espec{\'{\i}}fico,
excentricidade inicial da {\'o}rbita, inclina{\c{c}}{\~a}o e
altura do perigeu com a flu{\^e}ncia das part{\'{\i}}culas. Por
fim, uma an{\'a}lise de uma manobra Swing-By tamb{\'e}m foi
realizada juntamente com a incid{\^e}ncia de
radia{\c{c}}{\~a}o, revelando depend{\^e}ncias
impl{\'{\i}}citas dos incrementos de energia e velocidade em
rela{\c{c}}{\~a}o ao consumo de combust{\'{\i}}vel,
absor{\c{c}}{\~a}o de radia{\c{c}}{\~a}o, sistema de
propuls{\~a}o e par{\^a}metros da {\'o}rbita inicial. ABSTRACT:
This work presents a handful of underlying properties of a
spacecrafts transfer from a Low Earth Orbit (LEO) to the Moons
orbit using an electric propulsion (low thrust) system. First, an
optimization problem was considered to find the locations and
lengths of the thrust arcs that maximize the final mass of the
spacecraft for a number of transfer orbits, thereby limiting the
scope of trajectories to the most fuel-efficient ones. In addition
to this, the Van Allen belts were modelled according to the
density of electrons and protons in each point of space, in order
to measure the total radiation absorbed by the spacecraft through
an integration of the density of particles over the corresponding
time. The simulations could, then, predict the relationship
between fluence of particles and several initial parameters, such
as the initial orbits eccentricity and the propulsion system
characteristics. Then, a multilinear regression and an Artificial
Neural Network were fitted to the data through a regression that
relates the fluence of protons and electrons as a function of the
following parameters: mission time, specific impulse, thrust,
final mass (i.e. propellant consumption) and initial height of
perigee, eccentricity and inclination. This analysis was proven
powerful due to the expressive values from statistical tests,
showing underlying positive correlations between thrust, mission
time and final spacecraft mass with the fluence of particles, and
negative correlations between specific impulse, initial orbit
eccentricity, inclination and height of perigee with the fluence
of particles. Finally, an analysis of a Swing-By maneuver was also
carried out together with the radiation incidence, revealing
hidden dependencies of the increments in energy and velocity with
respect to the fuel consumption, radiation absorption, propulsion
system and initial orbit parameters.",
committee = "Moraes, Rodolpho Vilhena de (presidente) and Prado, Antonio
Fernando Bertachini de Almeida (orientador) and Gomes, Vivian
Martins (orientadora) and Kuga, H{\'e}lio Koiti and Ferraz-Mello,
Sylvio",
englishtitle = "Optimization of low-thrust trajectories from the Earth to the Moon
considering fuel consumption and absorbed radiation dose",
language = "pt",
pages = "115",
ibi = "8JMKD3MGP3W34T/46PGHA2",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34T/46PGHA2",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "03 maio 2024"
}