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Ce projet se place dans le contexte des futures missions habitées d’exploration du système solaire (avec un horizon de 2025), en respect de la feuille de route proposée par l’ISECG (International Space Exploration Coordination Group) [1]. Une nouvelle avancée serait de maintenir, à un des points de Lagrange du système Terre-Lune, en avant-poste, une station spatiale qui faciliterait l’accès vers les destinations telles que la Lune, Mars et les astéroïdes et permettrait de tester certaines technologies, notamment avant de les employer pour des missions plus lointaines. Un des principaux défis sera de maintenir en permanence et de garantir à bord la santé de l’équipage, à l’aide d’un centre médical (SMC) autonome arrimé à cette station. Se pose alors la problématique de la servitude d’une telle station, pendant la phase de déploiement (assemblage des différents modules constitutifs du centre médical) et la phase opérationnelle. Les enjeux résident, d’un point de vue global, dans la construction des scénarios opérationnels et, d’un point de vue local, la sélection de trajectoires, cherchant notamment à minimiser les incréments de vitesse (la dépense énergétique) et les temps de transport (sauvegarde des équipages). Quelles recommandations pourrait-on apporter en terme d’optimisation de trajectoire, satisfaisant des critères de dépense énergétique, durée de transport et sécurité ? Quels sont les verrous technologiques à lever pour permettre la réalisation d’une telle station spatiale? Quelles seraient les performances à viser pour les sous-systèmes critiques impliqués? Les résultats d’une telle étude permettraient d’ouvrir des perspectives de recherche et développement dans le domaine des vols habités, notamment dans le domaine du transport mais également dans l’optique d’une occupation de longue durée. In the context of future human space exploration missions in the solar system (with an horizon of 2025) and according to the roadmap proposed by ISECG (International Space Exploration Coordination Group) [1], a new step could be to maintain as an outpost, at one of the libration points of the Earth-Moon system, a space station. This would ease access to far destinations as Moon, Mars and asteroids and would allow to test some innovative technologies, before employing them for far distant human missions. One of the main challenges will be to maintain permanently, and ensure on board crew health thanks to an autonomous space medical center docked to the proposed space station, as a Space haven. Then the main problem to solve is to manage the station servitude, during deployment (modules integration) and operational phase. Challenges lie, on a global point of view, in the design of the operational scenarios and, on a local point of view, in trajectories selection, so as to minimize velocity increments (energy consumption) and transportation duration (crew safety). Which recommendations could be found out as far as trajectories optimization is concerned, that would fulfill energy consumption, transportation duration and safety criterion? What would technological hurdles be to rise for the building of such Space haven? What would be performances to aim at for critical sub-systems? Expected results of this study could point out research and development perspectives for human spaceflight missions and above all, in transportation field for long lasting missions. Thus, the thesis project, presented here, aims at from global system life-cycle decomposition, to identify by phase operational scenario and optimize resupply vehicle mission. The main steps of this project consist in: - Bibliographical survey, that covers all involved disciplines like mission analysis (Astrodynamics, Orbital mechanics, Orthography, N-Body Problem, Rendezvous…), Applied Mathematics, Optimization, Systems Engineering…. - Entire system life-cycle analysis, so as to establish the entire set of scenarios for deployment and operations (nominal cases, degraded cases, contingencies…) and for all trajectories legs (Low Earth Orbit, Transfer, Rendezvous, re-entry…) - Trade-off analysis for Space Station architecture - Modeling of the mission legs trajectories - Trajectories optimization Three main scenarios have been selected from the results of the preliminary design of the Space Station, named THOR: the Space Station deployment, the resupply cargo missions and the crew transportation. The deep analysis of those three main steps sorted out the criticality of the rendezvous strategies in the vicinity of Lagrangian points. A special effort has been set on those approach maneuvers. The optimization of those rendezvous trajectories led to consolidate performances (in term of energy and duration) of the global transfer from the Earth to the Lagrangian point neighborhood and return. Finally, recommendations have been deduced that support the Lagrangian points importance for next steps of Human Spaceflight exploration of the Solar system.

The longitudinal librations of a natural satellite can be defined as the oscillations around its uniform rotation. Their amplitudes depend on the internal structure of the satellite and can be used to probe the interior of these celestial bodies. Recently, the analysis of the Cassini spacecraft observations has suggested the presence of an internal ocean Titan. The measurements of its librational motion could help to characterize the ocean. During the thesis, we modelized the librational motion of a three-layer icy satellite evolving on a non-Keplerian orbit and submitted to an atmospheric torque. The objectives were to determine the influence of the internal structure and the elastic tidal deformations on the longitudinal librations. We determined that the elastic deformations of Titan's layers reduce the orbital frequency libration at the same order as those obtained for a solid model. The signature of the ocean in the libration is thus difficult to delect and require a precision of a few tenth meter on the surface motion to be detacted. The recent observations of Mimas librational motion couldn't be explained by a solid model of the satellite. We showed that the librational motion of Mimas containing an internal ocean match the observed libration amplitude, providing a new scenario in Mimas formation and internal structure.; Les librations en longitude d'un satellite naturel en rotation synchrone peuvent être définies comme étant des oscillations autour de sa rotation uniforme. Leurs amplitudes dépendent de la structure interne du stallite et des librations peuvent donc être utilisées pour sonder l'intérieur de ces corps célestes. Récemment, l'analyse des observations de la sonde Cassini a permis de suggérer la présence d'un océan interne sur Titan, la lune la plus massive de Saturne. La mesure de ses librations serait utile pour contraindre les caractéristiques de cet océan. Durant cette thèse, nous avons modélisé les librations en longitude d'un satellite de glace à trois couches élastiques évoluant sur une orbite non-Képlerienne et forcé par un couple atmosphérique. L'objectif était de déterminer l'influence de la structure interne et des déformations élastiques de marée sur l'amplitude des librations. Nous avons déterminé que les déformations élastiques des couches de Titan réduisent la libration à la fréquence orbitale au même ordre de grandeur que celle d'un modèle solide. La signature de l'océan est alors difficile à détecter et nécessite une précision de quelques dizaines de mètres sur les observations du mouvement de la surface. Nous avons également identifié deux librations de longues périodes dont l'amplitude est sensible à la présence de l'océan. Le modèle de libration développé ici est général et a été ensuite appliqué avec succès à Mimas. Les récentes observations des librations en longitude de Mimas ne peuvent être expliquées par un modèle solide du satellite. Nous avons montré que les librations d'un modèle de Mimas contenant un océan interne vérifient les amplitudes observées, ce qui permet de suggérer un nouveau scénario pour la structure interne de Mimas et d'ouvrir le débat sur l'histoire de sa formation.

Euler et Lagrange ont prouvé l'existence de cinq points d'équilibre dans le problème restreint des trois corps, c'est-à-dire le mouvement d'un corps de masse négligeable dans le champ gravitationnel de deux autres corps de masse beaucoup plus importante. Ces points d'équilibre sont appelés points de Lagrange et sont communément notés L1 , ..., L5. Autour de ces points d'équilibre, on peut prouver l'existence d'orbites périodiques, appelées orbites de halo, qui offrent des propriétés vraiment intéressantes tant pour l'exploration spatiale que pour l'observation (la sonde d'observation du Soleil SOHO est située sur une orbite de halo autour du point L1 ). Ces orbites pourraient même servir de site à une future station spatiale (autour de L1 du système Terre-Lune) ou être utilisées comme site pour relayer des transmissions (un satellite orbitant autour de L2 du système Terre-Lune permettrait une communication permanente avec la face cachée de la Lune). Depuis ces orbites de halo, se propagent des variétés invariantes, sorte de tubes, qui créent dans l'espace un réseau entre différentes régions de capture et dans lequel les trajectoires calculées ont un coût énergétique faible. Ceci permet de calculer des missions d'exploration interplanétaire à bas coût d'où l'intérêt croissant du domaine aérospatial pour les trajectoires autour des points de Lagrange.

This thesis presents a study of the motion of the Galilean satellites by analytical method. The solution gives the inequalities of the motion in the form of quasi-periodic of time. In chapter 1, we introduce the adopted method. The non-singular variables used in this work are simple expressions of the orbital elements. They facilitate the study of the long period evolution of the orbits of the system. The method gives, in the first stage, an intermediary solution supplied by the integration of all the terms which depend on time explicitly, and in the second stage, a variational solution which takes into account the free eccentricities and the free inclinations of the orbits. In chapter 2, we develop the perturbation function and the second member of the motion’s equations. The considered perturbation function arises from three actions : the interaction between the satellites, the action of the equatorial bulge of Jupiter and the Sun’s action. In chapter 3, we expose the different treatments used in the resolution of the equations and give some extracts from the most significant results ; in particular, the contributions to the high orders of the intermediary solution, a new solution of the libration’s equation, the first approximation of the variational solution and the terms of high degrees of eccentricities and inclinations, among which de Haerdtl’s inequalities are given with supplementary terms. In chapter 4, we present the calculation of the inequalities due to solar perturbations. This chapter contains, in the first part, a comparison of the results obtained with those of known theories, and in the second part the development of a new theory of the four great planets. The theory of Jupiter will be used as a jovicentric solar theory for the calculation of the perturbation of the Sun upon the Galilean satellites.; Le présent travail étudie le mouvement des satellites galiléens par voie analytique et donne la solution sous la forme des inégalités du mouvement exprimé en séries quasi-périodiques du temps. Il contient quatre chapitres : le premier chapitre présente la méthode adoptée. Les variables non singulières utilisées sont des expressions simples des éléments d'orbite. Elles facilitent l'étude du mouvement à très longue période du système. La méthode donne d'abord une solution intermédiaire par intégration des termes dépendant explicitement du temps ; ensuite une solution variationnelle qui tient compte des excentricités propres et des inclinaisons propres des orbites. Le deuxième chapitre donne le développement de la fonction perturbatrice et la formation des seconds membres des équations. La fonction perturbatrice provient de trois actions : l'interaction entre les satellites, l'action du renflement équatorial de Jupiter et l'action du soleil. Le troisième chapitre expose les divers traitements utilisés dans la résolution des équations et donne des extraits des résultats les plus significatifs de la solution, notamment les contributions aux ordres élevés dans la solution intermédiaire, une nouvelle solution variationnelle, la formation et l'intégration des termes de degré élevé parmi lesquels les inégalités de Haerdtl sont complétées par de nouvelles contributions issues d'un développement plus pousse. Le quatrième chapitre réexamine de façon détaillée le calcul des inégalités dues aux perturbations solaires et le choix d'une théorie du soleil jovicentrique. Ce chapitre contient dans la première partie des tables de comparaison des extraits de résultats obtenus à ceux des théories connues et dans la deuxième partie le développement d'une théorie planétaire a solution quasi-périodique. La théorie relative au mouvement de Jupiter obtenue sera utilisée comme théorie du soleil jovicentrique dans le calcul des effets de la perturbation solaire sur le mouvement des satellites galiléens.

This thesis presents a study of the motion of the Galilean satellites by analytical method. The solution gives the inequalities of the motion in the form of quasi-periodic of time. In chapter 1, we introduce the adopted method. The non-singular variables used in this work are simple expressions of the orbital elements. They facilitate the study of the long period evolution of the orbits of the system. The method gives, in the first stage, an intermediary solution supplied by the integration of all the terms which depend on time explicitly, and in the second stage, a variational solution which takes into account the free eccentricities and the free inclinations of the orbits. In chapter 2, we develop the perturbation function and the second member of the motion’s equations. The considered perturbation function arises from three actions : the interaction between the satellites, the action of the equatorial bulge of Jupiter and the Sun’s action. In chapter 3, we expose the different treatments used in the resolution of the equations and give some extracts from the most significant results ; in particular, the contributions to the high orders of the intermediary solution, a new solution of the libration’s equation, the first approximation of the variational solution and the terms of high degrees of eccentricities and inclinations, among which de Haerdtl’s inequalities are given with supplementary terms. In chapter 4, we present the calculation of the inequalities due to solar perturbations. This chapter contains, in the first part, a comparison of the results obtained with those of known theories, and in the second part the development of a new theory of the four great planets. The theory of Jupiter will be used as a jovicentric solar theory for the calculation of the perturbation of the Sun upon the Galilean satellites., Le présent travail étudie le mouvement des satellites galiléens par voie analytique et donne la solution sous la forme des inégalités du mouvement exprimé en séries quasi-périodiques du temps. Il contient quatre chapitres : le premier chapitre présente la méthode adoptée. Les variables non singulières utilisées sont des expressions simples des éléments d'orbite. Elles facilitent l'étude du mouvement à très longue période du système. La méthode donne d'abord une solution intermédiaire par intégration des termes dépendant explicitement du temps ; ensuite une solution variationnelle qui tient compte des excentricités propres et des inclinaisons propres des orbites. Le deuxième chapitre donne le développement de la fonction perturbatrice et la formation des seconds membres des équations. La fonction perturbatrice provient de trois actions : l'interaction entre les satellites, l'action du renflement équatorial de Jupiter et l'action du soleil. Le troisième chapitre expose les divers traitements utilisés dans la résolution des équations et donne des extraits des résultats les plus significatifs de la solution, notamment les contributions aux ordres élevés dans la solution intermédiaire, une nouvelle solution variationnelle, la formation et l'intégration des termes de degré élevé parmi lesquels les inégalités de Haerdtl sont complétées par de nouvelles contributions issues d'un développement plus pousse. Le quatrième chapitre réexamine de façon détaillée le calcul des inégalités dues aux perturbations solaires et le choix d'une théorie du soleil jovicentrique. Ce chapitre contient dans la première partie des tables de comparaison des extraits de résultats obtenus à ceux des théories connues et dans la deuxième partie le développement d'une théorie planétaire a solution quasi-périodique. La théorie relative au mouvement de Jupiter obtenue sera utilisée comme théorie du soleil jovicentrique dans le calcul des effets de la perturbation solaire sur le mouvement des satellites galiléens.

Lagrangian satellites of Tethys and Dione, Découverts pendant le passage de la Terre dans le plan des anneaux de saturne, en 1980, ces satellites faibles se trouvent près des points de Lagrange équilatéraux de Téthys et Dioné. Quelques années d'observations ont fourni la base de l'étude de leur mouvement, donnant des positions précises sur lesquelles il est possible d'ajuster des simulations numériques. Celles-ci ont, à leur tour, aidé à calibrer un modèle analytique du mouvement permettant une bonne prédiction des positions de ces satellites.

Lagrangian satellites of Tethys and Dione; Découverts pendant le passage de la Terre dans le plan des anneaux de saturne, en 1980, ces satellites faibles se trouvent près des points de Lagrange équilatéraux de Téthys et Dioné. Quelques années d'observations ont fourni la base de l'étude de leur mouvement, donnant des positions précises sur lesquelles il est possible d'ajuster des simulations numériques. Celles-ci ont, à leur tour, aidé à calibrer un modèle analytique du mouvement permettant une bonne prédiction des positions de ces satellites.