Optimisation des opérations de Rendez-vous et conception GNC pour les opérations de proximité sur une orbite cislunaire NRHO

Le projet Deep Space Gateway (DSG) se présente comme l’une des plus prometteuses collaborations internationales de la prochaine décennie. Il inclut la mise en place d’un avant-poste spatial dans un environnement cislunaire, servant de relais pour des missions (habitées ou non) d’exploration. L’orbite cible pour la station sera une Near Rectilinear Halo Orbit (NRHO) située a proximité d’un point de Lagrange Terre-Lune (EML). Les activités opérationnelles de Rendez-vous et de Docking (RVD) sont de la plus haute importance afin de mener à bien l’assemblage de la station puis les diverses opérations de maintenance. Le module Orion sera en charge de ces opérations et devra également assurer les missions de ravitaillement et les vols habités au départ ou à destination de la DSG. La littérature au sujet des questions de RVD dans le problème à deux corps sur des Orbites terrestres ou lunaires basses quasi-circulaires (LEO et LLO respectivement) est très vaste et les cas d’application pratique ne manquent pas : citons par exemple les RVD manuels des missions Apollo. Cependant, la complexité dynamique des modèles a trois corps ou plus fait qu’à ce jour aucun RVD l n’a été réalisé dans des régions proches des points de Lagrange, où les modèles képlériens ne sont plus applicables. Malgré la présence de nombreuses publications sur les trajectoires et orbites a proximité des points de Lagrange et des transferts dans le domaine cislunaire, la communauté scientifique ne dispose à ce jour que de très peu de résultats sur les opérations de RVD dans les environnements non-képlériens. L’intérêt suscité par la mise en route du projet DSG et des premiers vols du module Orion a néanmoins vivement relancé l’intérêt de la communauté sur le sujet. L’ISAE-Supaéro a développé avec ses partenaires (parmi lesquels l’Agence Spatiale Européenne, et Airbus Defence and Space) des outils semi-analytiques de modélisation et de calcul d’orbites de type NRHO, DRO, Lyapunov, Halo et Lissajou à proximité des points de Lagrange dans le problème circulaire restreint a trois corps (CR3BP). Ceci constitue un solide point de départ pour étendre les stratégies de RVD aux environnements cislunaires avec prise en compte des contraintes matérielles et opérationnelles des missions à venir. Ce doctorat propose le développement d’outils théoriques et de méthodes numériques de mécanique orbitale permettant d’exploiter les spécificités de l’astrodynamique non-linéaire pour réaliser des opérations de RVD en milieu cislunaire. Il s’agira de définir les contraintes propres à ce nouveau cadre opérationnel et de proposer des modèles répondant aux attentes des agences spatiales internationales et de l’industrie pour préparer l’exploration spatiale de demain. Nous nous intéresserons à des opérations de RVD entre la DSG, cible du rendez-vous et placée sur une orbite NRHO autour de EML2, et des véhicules provenant d’orbites terrestres. Nous proposerons en particulier un design de système de Guidage, Navigation et Contrôle (GNC) qui s’appuiera sur les capacités technologiques actuelles et à venir des senseurs et actionneurs embarqués.In the context of Human Spaceflight exploration mission scenario, with the Deep Space Gateway (DSG) on a Near Rectilinear Halo Orbit (NRHO) about Earth-Moon Lagrangian Point (EML), Rendezvous and Docking (RVD) operational activities are mandatory and critical for assembly of the DSG to be performed by the Orion spacecraft. Orion will also handle cargo delivery and crew exchange missions and they all require RVD. There is extensive experience with RVD in the two-body problem in Low Earth Orbit to various space stations or around Low Lunar Orbit quasi circular, the latter by Apollo in manual RVD. Despite that no operational RVD has yet been performed in the vicinity of the Lagrangian points, where Keplerian dynamics is not applicable. There are some drawbacks from the complexity, but also some strong advantages that need to be researched in depth by the work proposed here. Despite vast literature on families of trajectories about the Lagrangian points and transfers in the Cis-Lunar realm, the scientific community has, at the moment, very few relevant research results in the non Keplerian dynamic domain. However, in recent years one can be seen the emergence of some sparse publications on the subject, which can be explained by the studies related to DSG and Orion missions. Within the partners, semi-analytical tools have been developed to compute and model families of orbits like NRHO, DRO, Lyapunov, Halo and Lissajous about the Lagrangian points in the Circular Restricted Three Body Problem (CR3BP). Hence there is a good starting point for the research for the overall rendezvous strategy considering vehicle and operations constraints. The proposed PhD project is expected to further and strengthen the work already carried out and some of the celestial mechanics tools developed. Further to that research shall be performed regarding the GNC design for such missions and the accuracies that can be achieved with today technologies and what is required. Assuming the DSG to be the target, RVD will be performed in this project by visiting vehicles arriving from the Earth