El Problema de Lambert en el Contexto de Optimización de Trayectorias Espaciales

Esta tesis se basa en el estudio de la trayectoria que pasa por dos puntos en el problema de los dos cuerpos, inicialmente desarrollado por Lambert, del que toma su nombre. En el pasado, el Problema de Lambert se ha utilizado para la determinación de órbitas a partir de observaciones astronómicas de los cuerpos celestes. Actualmente, se utiliza continuamente en determinación de órbitas, misiones planetaria e interplanetarias, encuentro espacial e interceptación, o incluso en corrección de orbitas. Dada su gran importancia, se decide investigar especialmente sobre su solución y las aplicaciones en las misiones espaciales actuales. El campo de investigación abierto, es muy amplio, así que, es necesario determinar unos objetivos específicos realistas, en el contexto de ejecución de una Tesis, pero que sirvan para mostrar con suficiente claridad el potencial de los resultados aportados en este trabajo, e incluso poder extenderlos a otros campos de aplicación. Como resultado de este análisis, el objetivo principal de la Tesis se enfoca en el desarrollo de algoritmos para resolver el Problema de Lambert, que puedan ser aplicados de forma muy eficiente en las misiones reales donde aparece. En todos los desarrollos, se ha considerado especialmente la eficiencia del cálculo computacional necesario en comparación con los métodos existentes en la actualidad, destacando la forma de evitar la pérdida de precisión inherente a este tipo de algoritmos y la posibilidad de aplicar cualquier método iterativo que implique el uso de derivadas de cualquier orden. En busca de estos objetivos, se desarrollan varias soluciones para resolver el Problema de Lambert, todas ellas basadas en la resolución de ecuaciones transcendentes, con las cuales, se alcanzan las siguientes aportaciones principales de este trabajo: • Una forma genérica completamente diferente de obtener las diversas ecuaciones para resolver el Problema de Lambert, mediante desarrollo analítico, desde cero, a partir de las ecuaciones elementales conocidas de las cónicas (geométricas y temporal), proporcionando en todas ellas fórmulas para el cálculo de derivadas de cualquier orden. • Proporcionar una visión unificada de las ecuaciones más relevantes existentes, mostrando la equivalencia con variantes de las ecuaciones aquí desarrolladas. • Deducción de una nueva variante de ecuación, el mayor logro de esta Tesis, que destaca en eficiencia sobre todas las demás (tanto en coste como en precisión). • Estudio de la sensibilidad de la solución ante variación de los datos iniciales, y como aplicar los resultados a casos reales de optimización de trayectorias. • También, a partir de los resultados, es posible deducir muchas propiedades utilizadas en la literatura para simplificar el problema, en particular la propiedad de invariancia, que conduce al Problema Transformado Simplificado. ABSTRACT This thesis is based on the study of the two-body, two-point boundary-value problem, initially developed by Lambert, from who it takes its name. Since the past, Lambert's Problem has been used for orbit determination from astronomical observations of celestial bodies. Currently, it is continuously used in orbit determinations, for planetary and interplanetary missions, space rendezvous, and interception, or even in orbit corrections. Given its great importance, it is decided to investigate their solution and applications in the current space missions. The open research field is very wide, it is necessary to determine specific and realistic objectives in the execution context of a Thesis, but that these serve to show clearly enough the potential of the results provided in this work, and even to extended them to other areas of application. As a result of this analysis, the main aim of the thesis focuses on the development of algorithms to solve the Lambert’s Problem which can be applied very efficiently in real missions where it appears. In all these developments, it has been specially considered the efficiency of the required computational calculation compared to currently existing methods, highlighting how to avoid the loss of precision inherent in such algorithms and the possibility to apply any iterative method involving the use of derivatives of any order. Looking to meet these objectives, a number of solutions to solve the Lambert’s Problem are developed, all based on the resolution of transcendental equations, with which the following main contributions of this work are reached: • A completely different generic way to get the various equations to solve the Lambert’s Problem by analytical development, from scratch, from the known elementary conic equations (geometrics and temporal), by providing, in all cases, the calculation of derivatives of any order. • Provide a unified view of most existing relevant equations, showing the equivalence with variants of the equations developed here. • Deduction of a new variant of equation, the goal of this Thesis, which emphasizes efficiency (both computational cost and accuracy) over all other. • Estudio de la sensibilidad de la solución ante la variación de las condiciones iniciales, mostrando cómo aprovechar los resultados a casos reales de optimización de trayectorias. • Study of the sensitivity of the solution to the variation of the initial data, and how to use the results to real cases of trajectories’ optimization. • Additionally, from results, it is possible to deduce many properties used in literature to simplify the problem, in particular the invariance property, which leads to a simplified transformed problem.

Discrete linear stability and sensitivity analysis of fluid flows

Este trabajo presenta un método discreto para el cálculo de estabilidad hidrodinámica y análisis de sensibilidad a perturbaciones externas para ecuaciones diferenciales y en particular para las ecuaciones de Navier-Stokes compressible. Se utiliza una aproximación con variable compleja para obtener una precisión analítica en la evaluación de la matriz Jacobiana. Además, mapas de sensibilidad para la sensibilidad a las modificaciones del flujo de base y a una fuerza constante permiten identificar las regiones del campo fluido donde una modificacin (ej. fuerza puntual) tiene un efecto estabilizador del flujo. Se presentan cuatro casos de prueba: (1) un caso analítico para comprobar la derivación discreta, (2) una cavidad cerrada a bajo Reynolds para mostrar la mayor precisión en el cálculo de los valores propios con la aproximación de paso complejo, (3) flujo 2D en un cilindro circular para validar la metodología, y (4) flujo en un cavidad abierta, presentado para validar el método en casos de inestabilidades convectivamente inestables. Los tres últimos casos mencionados (2-4) se resolvieron con las ecuaciones de Navier-Stokes compresibles, utilizando un método Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Se obtuvo una buena concordancia para el caso de validación (3), cuando se comparó el nuevo método con resultados de la literatura. Además, este trabajo muestra que para el cálculo de los modos propios directos y adjuntos, así como para los mapas de sensibilidad, el uso de variables complejas es de suprema importancia para obtener una predicción precisa. El método descrito es aplicado al análisis para la estabilización de la estela generada por un disco actuador, que representa un modelo sencillo para hélices, rotores de helicópteros o turbinas eólicas. Se explora la primera bifurcación del flujo para un disco actuador, y se sugiere que está asociada a una inestabilidad de tipo Kelvin-Helmholtz, cuya estabilidad se controla con en el número de Reynolds y en la resistencia del disco actuador (o fuerza resistente). En primer lugar, se verifica que la disminución de la resistencia del disco tiene un efecto estabilizador parecido a una disminución del Reynolds. En segundo lugar, el análisis hidrodinmico discreto identifica dos regiones para la colocación de una fuerza puntual que controle las inestabilidades, una cerca del disco y otra en una zona aguas abajo. En tercer lugar, se muestra que la inclusión de un forzamiento localizado cerca del actuador produce una estabilización más eficiente que al forzar aguas abajo. El análisis de los campos de flujo controlados confirma que modificando el gradiente de velocidad cerca del actuador es más eficiente para estabilizar la estela. Estos resultados podrían proporcionar nuevas directrices para la estabilización de la estela de turbinas de viento o de marea cuando estén instaladas en un parque eólico y minimizar las interacciones no estacionarias entre turbinas. ABSTRACT A discrete framework for computing the global stability and sensitivity analysis to external perturbations for any set of partial differential equations is presented. In particular, a complex-step approximation is used to achieve near analytical accuracy for the evaluation of the Jacobian matrix. Sensitivity maps for the sensitivity to base flow modifications and to a steady force are computed to identify regions of the flow field where an input could have a stabilising effect. Four test cases are presented: (1) an analytical test case to prove the theory of the discrete framework, (2) a lid-driven cavity at low Reynolds case to show the improved accuracy in the calculation of the eigenvalues when using the complex-step approximation, (3) the 2D flow past a circular cylinder at just below the critical Reynolds number is used to validate the methodology, and finally, (4) the flow past an open cavity is presented to give an example of the discrete method applied to a convectively unstable case. The latter three (2–4) of the aforementioned cases were solved with the 2D compressible Navier–Stokes equations using a Discontinuous Galerkin Spectral Element Method. Good agreement was obtained for the validation test case, (3), with appropriate results in the literature. Furthermore, it is shown that for the calculation of the direct and adjoint eigenmodes and their sensitivity maps to external perturbations, the use of complex variables is paramount for obtaining an accurate prediction. An analysis for stabilising the wake past an actuator disc, which represents a simple model for propellers, helicopter rotors or wind turbines is also presented. We explore the first flow bifurcation for an actuator disc and it suggests that it is associated to a Kelvin- Helmholtz type instability whose stability relies on the Reynolds number and the flow resistance applied through the disc (or actuator forcing). First, we report that decreasing the disc resistance has a similar stabilising effect to an decrease in the Reynolds number. Second, a discrete sensitivity analysis identifies two regions for suitable placement of flow control forcing, one close to the disc and one far downstream where the instability originates. Third, we show that adding a localised forcing close to the actuator provides more stabilisation that forcing far downstream. The analysis of the controlled flow fields, confirms that modifying the velocity gradient close to the actuator is more efficient to stabilise the wake than controlling the sheared flow far downstream. An interesting application of these results is to provide guidelines for stabilising the wake of wind or tidal turbines when placed in an energy farm to minimise unsteady interactions.

Stability and sensitivity analysis of Be-CoDiS, an epidemiological model to predict the spread of human diseases between countries. Validation with data from the 2014-16 West African Ebola Virus Disease epidemic.

Ebola virus disease is a lethal human and primate disease that requires a particular attention from the international health authorities due to important recent outbreaks in some Western African countries and isolated cases in European and North-America continents. Regarding the emergency of this situation, various decision tools, such as mathematical models, were developed to assist the authorities to focus their efforts in important factors to eradicate Ebola. In a previous work, we have proposed an original deterministic spatial-temporal model, called Be-CoDiS (Between-Countries Disease Spread), to study the evolution of human diseases within and between countries by taking into consideration the movement of people between geographical areas. This model was validated by considering numerical experiments regarding the 2014-16 West African Ebola Virus Disease epidemic. In this article, we propose to perform a stability analysis of Be-CoDiS. Our first objective is to study the equilibrium states of simplified versions of this model, limited to the cases of one an two countries, and to determine their basic reproduction ratios. Then, in order to give some recommendations for the allocation of resources used to control the disease, we perform a sensitivity analysis of those basic reproduction ratios regarding the model parameters. Finally, we validate the obtained results by considering numerical experiments based on data from the 2014-16 West African Ebola Virus Disease epidemic.

A gradient estimate to a degenerate parabolic equation with a singular absorption term: The global quenching phenomena

We prove global existence of nonnegative solutions to the one dimensional degenerate parabolic problems containing a singular term. We also show the global quenching phenomena for L1 initial datums. Moreover, the free boundary problem is considered in this paper.

Materiales y metodologías docentes en el EEES: informe general de primer curso de la titulación de Telecomunicación

La red docente durante el curso 2006/07 ha realizado un estudio en cuanto a materiales y metodologías docentes en las asignaturas de primer curso de Ingeniería Técnica de Telecomunicación, especialidad en Sonido e Imagen. Esta titulación es impartida en la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Alicante. Dicho estudio está encaminado a suplir las necesidades que marca el nuevo Marco Europeo de Aprendizaje. Se ha definido una ficha de la asignatura (cuyos contenidos y estructura se detallan) que permita al alumnado una visión directa y lo más concisa posible de las actividades que se desarrollarán en cada asignatura a lo largo de su periodo lectivo. El conjunto de estas fichas conformará la denominada Agenda del Estudiante, que fomentará la organización personal de cada alumno. La puesta en común de las experiencias y conocimientos de los diversos miembros de la red debe redundar en una mayor eficacia de la docencia. En este trabajo se incluyen las experiencias de las siete asignaturas implicadas en el proceso.

Exact and analytic-numerical solutions of lagging models of heat transfer in a semi-infinite medium

Different non-Fourier models of heat conduction have been considered in recent years, in a growing area of applications, to model microscale and ultrafast, transient, nonequilibrium responses in heat and mass transfer. In this work, using Fourier transforms, we obtain exact solutions for different lagging models of heat conduction in a semi-infinite domain, which allow the construction of analytic-numerical solutions with prescribed accuracy. Examples of numerical computations, comparing the properties of the models considered, are presented.

Difference schemes for numerical solutions of lagging models of heat conduction

Non-Fourier models of heat conduction are increasingly being considered in the modeling of microscale heat transfer in engineering and biomedical heat transfer problems. The dual-phase-lagging model, incorporating time lags in the heat flux and the temperature gradient, and some of its particular cases and approximations, result in heat conduction modeling equations in the form of delayed or hyperbolic partial differential equations. In this work, the application of difference schemes for the numerical solution of lagging models of heat conduction is considered. Numerical schemes for some DPL approximations are developed, characterizing their properties of convergence and stability. Examples of numerical computations are included.

Simulación de la propagación del malware: modelos continuos vs. modelos discretos

La gran mayoría de modelos matemáticos propuestos hasta la fecha para simular la propagación del malware están basados en el uso de ecuaciones diferenciales. Dichos modelos son analizados de manera crítica en este trabajo, determinando las principales deficiencias que presentan y planteando distintas alternativas para su subsanación. En este sentido, se estudia el uso de los autómatas celulares como nuevo paradigma en el que basar los modelos epidemiológicos, proponiendo una alternativa explícita basada en ellos a un reciente modelo continuo.

Difference schemes for time-dependent heat conduction models with delay

Different non-Fourier models of heat conduction, that incorporate time lags in the heat flux and/or the temperature gradient, have been increasingly considered in the last years to model microscale heat transfer problems in engineering. Numerical schemes to obtain approximate solutions of constant coefficients lagging models of heat conduction have already been proposed. In this work, an explicit finite difference scheme for a model with coefficients variable in time is developed, and their properties of convergence and stability are studied. Numerical computations showing examples of applications of the scheme are presented.

A compact difference scheme for numerical solutions of second order dual-phase-lagging models of microscale heat transfer

Dual-phase-lagging (DPL) models constitute a family of non-Fourier models of heat conduction that allow for the presence of time lags in the heat flux and the temperature gradient. These lags may need to be considered when modeling microscale heat transfer, and thus DPL models have found application in the last years in a wide range of theoretical and technical heat transfer problems. Consequently, analytical solutions and methods for computing numerical approximations have been proposed for particular DPL models in different settings. In this work, a compact difference scheme for second order DPL models is developed, providing higher order precision than a previously proposed method. The scheme is shown to be unconditionally stable and convergent, and its accuracy is illustrated with numerical examples.

Open access, repositorios, directorios de repositorios y open licenses

Este trabajo aborda el tema del acceso abierto (open access) de la literatura científica. Se analizan las declaraciones sobre las que se basan sus cimientos y las estrategias existentes para la difusión del conocimiento. Así mismo, se tratan las iniciativas que colaboran con este fin: los repositorios, los directorios de repositorios de acceso abierto y las licencias abiertas (open licenses). Por último, se pone de manifiesto la relación que existe entre el movimiento de acceso abierto y las iniciativas relacionadas con los recursos educativos abiertos.

How can directories of open access repositories improve the reuse of learning objects in building engineering?

This paper studies the use of directories of open access repositories worldwide (DOARW) to search Spanish repositories containing learning objects in the field of building engineering (BE). Results show that DOARW are powerful tools, but deficiencies (indicated in this study) have to be solved in order to obtain more accurate searches, and to facilitate repository-finding for potential users who are seeking learning objects (LOs) for reuse. Aiming to contribute to the promotion of the reuse of Spanish LOs, this study exposes to the academic community all existing Spanish repositories with LOs, and in particular, the repositories that contain LOs in the field of BE. This paper also studies the critical mass of available content (LOs) in the field of BE in Spain. It has been found to be low.

Construcción de un instrumento para medir la utilidad percibida de las TIC usadas en la docencia por estudiantes de Arquitectura Técnica

Se ha realizado una investigación acerca del uso del ordenador y de los objetos de aprendizaje que utilizan los estudiantes en una asignatura de Arquitectura Técnica de la Universidad de Alicante. Para ello, se ha creado un instrumento que analiza la utilidad percibida de los objetos de aprendizaje en la adquisición de las competencias y las actitudes de los estudiantes hacia el uso del ordenador. Los análisis realizados indican que el instrumento de medición elaborado es fiable y válido. La validez de contenido del instrumento se analizó a través del juicio de expertos (validez general del cuestionario = .912, p-valor = .000). La validez de constructo se estudió a través del análisis de su estructura interna, sometiendo a un análisis factorial los ítems de la versión definitiva del cuestionario (se identificaron cuatro factores que juntos explicaron el 45.65% de la varianza). La fiabilidad del instrumento se analizó calculando su consistencia interna por medio del coeficiente alpha de Cronbach (? para el total de la escala = .90).

Treatise on differential equations /

Contiene: Vol. supplementary.

A generalized model for population dynamics where interactions change over time

La dinámica demográfica ha sido modelada con ecuaciones diferenciales desde que Malthus comenzó sus estudios hace más de doscientos años atrás. Los modelos convencionales siempre tratan relaciones entre especies como estáticas, denotando sólo su dependencia durante un período fijo del tiempo, aunque sea conocido que las relaciones entre especies pueden cambiar con el tiempo. Aquí proponemos un modelo para la dinámica demográfica que incorpora la evolución con el tiempo de las interacciones entre especies. Este modelo incluye una amplia gama de interacciones, de depredador-presa a las relaciones mutualistas, ya sea obligada o facultativa. El mecanismo que describimos permite la transición de una clase de relación entre especies a algún otro, según algunos parámetros externos fijados por el contexto. Estas transiciones podrían evitar la extinción de una de las especies, si esto termina por depender demasiado del ambiente o su relación con las otras especies.