Ejection-collision orbits in the restricted three-body problem

Abstract

The main objective of this dissertation is the study of the ejection-collision (EC) orbits in the circular and planar Restricted Three Body Problem (RTBP from now on). In particular, we will focus on the analytical and numerical study of a very specific type of EC orbits, that we denote as n-EC orbits. An n-EC orbit is an orbit such that the particle ejects from one primary and reaches n times a relative maximum in the distance with respect to the primary from which it ejected before colliding with it. In this way, we will study numerically in depth this kind of orbits and we will show analytically that for a sufficiently large value of the Jacobi constant (for which we will give an expression in terms of the mass parameter and the value of n) there exist exactly four n-EC orbits with well-defined characteristics. These results generalize and improve the previous results for the particular case of n=1, and we will see that they can be easily extrapolated to the Hill problem. Besides, we will observe numerically that the evolution of these four original families of n-EC orbits present a very rich dynamics.It is well-known that the system that defines the motion of the particle is not well defined at the points where the primaries are located. For this reason, we have used two different techniques to regularize the collision, the McGehee regularization and the Levi-Civita regularization. Thus, in this dissertation we have analyzed the advantages and disadvantages of each regularization and the different methods that can be used to detect collisions. Since this dissertation will be mainly focused on values of the Jacobi constant greater than those associated to the equilibrium point L1, these two local regularizations will be enough. For less restrictive values of the Jacobi constant we will see that there exist other global regularizations or alternatively, we can simply work with local regularizations in a neighbourhood of each primary.On the other hand, from the numerical point of view we have analyzed the global behaviour of the ejection orbits in the RTBP. We have studied the relation between the family of Lyapunov periodic orbits around the equilibrium point L1 and the ejection orbits for values of the Jacobi constant such that the associated Hill regions only allow a bounded motion for these orbits. In particular, we have seen that a chaotic infinity of heteroclinic connections between one primary and the Lyapunov periodic orbits around the equilibrium point L1 are obtained. As a consequence a chaotic infinity of ejection-collision orbits is also derived. Besides, we will see that we can construct colour diagrams that allow to describe the global dynamics of the ejection orbits given a range of time. These colour diagrams provide a very precise understanding of the dynamics of these orbits.Finally, we have made a first exploration of the spatial case of the circular restricted three body problem (RTBP 3D). In this first approach we have not used the classical Kustaanheimo–Stiefel regularization, instead we have decided to use a 3D version of the McGehee regularization. This presents some problems that we have analyzed and addressed,

L'objectiu principal d'aquesta dissertació és l'estudi de les òrbites d'ejecció-col·lisió (EC) al problema restringit de tres cossos circular i pla (RTBP a partir d'ara). En particular, ens centrarem en l'estudi analític i numèric d'unes òrbites d'EC molt particulars, a les quals hem anomenat òrbites de n-EC. Aquestes òrbites de n-EC, són òrbites tal que la partícula ejecta d'un primari, assoleix n màxims en la distància respecte al primari del qual han ejectat per a continuació tornar a col·lisionar amb ell. D'aquesta forma numèricament estudiarem en profunditat aquest tipus d'òrbites i analíticament demostrarem que per un valor prou gran de la constant de Jacobi (per la qual donarem una expressió en termes del paràmetre de masses i el valor de n) existeixen exactament quatre òrbites de n-EC amb unes característiques ben determinades. Aquests resultats generalitzen i milloren els resultats previs pel cas particular de n=1, i veurem que es poden extrapolar fàcilment al problema de Hill. A més, numèricament veurem que l'evolució d'aquestes quatre famílies d'òrbites de n-EC originals presenta una dinàmica molt rica.És ben sabut, que el sistema que defineix el moviment de la partícula no està ben definit als punts on es troben situats els primaris. Per aquest motiu hem utilitzat dues tècniques de regularització de la col·lisió, la regularització de McGehee i la regularització de Levi-Civita. D'aquesta forma, en aquesta memòria hem analitzat els avantatges i els inconvenients de cada regularització, i els diferents mètodes que es poden utilitzar per detectar col·lisions. Com que gran part d'aquesta memòria es focalitzarà en valors de la constant de Jacobi més grans que l'associat al punt d'equilibri L1 aquestes dues regularitzacions de caràcter local seran suficients. Per valors menys restrictius de la constant de Jacobi veurem que existeixen altres regularitzacions de caràcter global o que simplement podem treballar amb regularitzacions locals a l'entorn de cada primari.Per altra banda, numèricament hem analitzat el comportament global de les òrbites d'ejecció al RTBP. Hem estudiat la relació entre la família de les òrbites periòdiques de Lyapunov al voltant del punt d'equilibri lineal L1 i les òrbites d'ejecció que es duu a terme al rang de valors de la constant de Jacobi tals que les regions de Hill associades només permeten un moviment fitat per a aquestes òrbites. En particular, hem vist que s'obté una infinitat caòtica de connexions heteroclíniques entre un primari i l'òrbita periòdica de Lyapunov al voltant del punt d'equilibri lineal L1. Com a conseqüència, també es deriva una infinitat caòtica d'òrbites d'ejecció-col·lisió. A més, veurem que podem construir uns diagrames de color que ens permeten descriure la dinàmica global de les òrbites d'ejecció donat un interval de temps. Aquests diagrames proporcionen una comprensió molt precisa de la dinàmica d'aquestes òrbites.Finalment, hem fet una primera exploració del cas espacial del problema restringit de tres cossos circular (RTBP 3D). En aquesta primera aproximació no hem utilitzat la clàssica regularització de Kustaanheimo-Stiefel i hem decidit utilitzar una versió 3D de la regularització de McGehee. Això presenta alguns problemes, que hem analitzat i abordat, però aquesta aproximació és suficient per obtenir un primer resultat numèric sobre òrbites de 1-EC i per il·lustrar la complexitat del cas 3D.