Deflection of near earth objects (NEO) using tethers

Potential impact hazard posed by near Earth asteroids, has motivated researchers to find effective asteroid deflection techniques. The feasibility of using space tethers for asteroid deflection is examined in this dissertation. A simplified model of the asteroid-tether-ballast system, consisting of a point mass model for the asteroid and the ballast, and a rigid massless tether, is developed first. Eventually, more realistic assumptions are considered in the model. The equations of motion of the system are obtained using the Lagrangian approach. The feasibility of using tether-ballast attachment to perturb the motion of the asteroid is demonstrated via numerical simulations. This deflection method is more effective if the asteroid has a high eccentricity orbit. The results show that, by cutting the tether at an appropriate time, the deflection achieved can be increased. Due to the nonlinear nature of the system dynamics, the best point to cut the tether is determined using the simulated annealing optimization method. To obtain a more realistic model of the system, the dynamics of a tether connected to an irregular shaped asteroid is examined. It is shown that the finite size of the asteroid influences the tether dynamics, via the offset between the point of tether attachment and the center of mass of the asteroid. It is observed by analyzing the higher order harmonics in the gravitational potential of the asteroid that the effects of the finite size of the asteroid can be well approximated by considering a spherical asteroid, without losing much of the dynamical behavior associated with the real shape of the asteroid. A more realistic model of the asteroid-tether-ballast system, using a finite size asteroid, and a tether with a non-negligible mass, is developed next. The tether deployment stage, which is an essential part of a real tether based asteroid deflection mission, is considered in the model. Simulation results show that, the rotational motion of the asteroid helps to increase the deflection achieved. It is noted that tether-assisted deflection in more efficient for fast-rotating asteroids than slow-rotating asteroids. A comparison between the asteroid deflection using tethers, gravity tractor deflection method and deflection via a direct impact, is conducted. It is observed that, tether-assisted asteroid deflection is preferable to the other two methods, if the asteroid is rotating fast, and has a high eccentricity orbit.Les risques potentiels d'impact que représentent les astéroïdes proches de la Terre, ont motivé les chercheurs à trouver des techniques efficaces pour la déviation des astéroïdes. Dans cette thèse, nous avons examiné la possibilité d'utiliser les câbles spatiaux pour la déviation d'astéroïdes. Dans un premier temps, nous avons développé un modèle simplifié du système astéroïde-câble-contrepoids, constitué d'un modèle de masse ponctuelle pour l'astéroïde et le contrepoids, et d'un câble rigide sans masse. Par la suite, nous avons pris en compte des hypothèses plus réalistes dans le modèle. Les équations de mouvement du système sont obtenues en utilisant la méthode de Lagrange. À l'aide de simulations numériques, nous avons démontré la possibilité d'utiliser l'attache câble-contrepoids pour perturber le mouvement de l'astéroïde. Cette méthode de déviation est plus efficace si l'astéroïde a une orbite avec une haute excentricité. Les résultats montrent que, en coupant l'attache à un moment approprié, la déviation atteinte peut être augmentée. En raison de la nature non linéaire de la dynamique du système, le meilleur point pour couper le câble est déterminé en utilisant la méthode d'optimisation du recuit simulé . Afin d'obtenir un modèle plus réaliste du système, nous avons examiné la dynamique d'un câble relié à un astéroïde de forme irrégulière. Il est montré que la taille finie de l'astéroïde influe sur la dynamique du câble, par le décalage entre le point de fixation du câble. Par l'analyse des harmoniques d'ordre plus élevé dans le potentiel de gravitation de l'astéroïde, nous constatons que les effets de la taille finie de l'astéroïde peuvent être bien approximés en considérant un astéroïde sphérique, sans perdre beaucoup du comportement dynamique associé à la forme réelle de l'astéroïde. Par la suite, nous avons développé un modèle plus réaliste du système astéroïde-câble-contrepoids, en utilisant un astéroïde de taille finie, et un câble avec une masse non négligeable. Dans ce modèle, nous considérons que la phase de déploiement du câble est une partie essentielle d'une véritable mission de déviation d'astéroïdes. Les résultats des simulations montrent que le mouvement rotationel de l'astéroïde permet d'augmenter la déviation atteinte. Nous constatons que la déviation assistée par câble est plus efficace pour les astéroïdes à rotation rapide que pour les astéroïdes à rotation lente. Nous avons effectué une comparaison entre la déviation de l'astéroïde à l'aide de câbles, de la méthode de déviation du tracteur de gravité et via un impact direct. Nous observons que la déviation assistée par câble d'un astéroïde est préférable aux deux autres méthodes, si l'astéroïde tourne rapidement, et s'il a une orbite avec une haute excentricité