On the co-orbital motion in the planar restricted three-body problem: the quasi-satellite motion revisited

In the framework of the planar and circular restricted three-body problem, we consider an asteroid that orbits the Sun in quasi-satellite motion with a planet. A quasi-satellite trajectory is a heliocentric orbit in co-orbital resonance with the planet, characterized by a non zero eccentricity and a resonant angle that librates around zero. Likewise, in the rotating frame with the planet it describes the same trajectory as the one of a retrograde satellite even though the planet acts as a perturbator. In the last few years, the discoveries of asteroids in this type of motion made the term "quasi-satellite" more and more present in the literature. However, some authors rather use the term "retrograde satellite" when referring to this kind of motion in the studies of the restricted problem in the rotating frame. In this paper we intend to clarify the terminology to use, in order to bridge the gap between the perturbative co-orbital point of view and the more general approach in the rotating frame. Through a numerical exploration of the co-orbital phase space, we describe the quasi-satellite domain and highlight that it is not reachable by low eccentricities by averaging process. We will show that the quasi-satellite domain is effectively included in the domain of the retrograde satellites and neatly defined in terms of frequencies. Eventually, we highlight a remarkable high eccentric quasi-satellite orbit corresponding to a frozen ellipse in the heliocentric frame. We extend this result to the eccentric case (planet on an eccentric motion) and show that two families of frozen ellipses originate from this remarkable orbit.Comment: 30 pages, 13 figures, 1 tabl

Rigorous treatment of the averaging process for co-orbital motions in the planetary problem

We develop a rigorous analytical Hamiltonian formalism adapted to the study of the motion of two planets in co-orbital resonance. By constructing a complex domain of holomorphy for the planetary Hamilto-nian, we estimate the size of the transformation that maps this Hamil-tonian to its first order averaged over one of the fast angles. After having derived an integrable approximation of the averaged problem, we bound the distance between this integrable approximation and the averaged Hamiltonian. This finally allows to prove rigorous theorems on the behavior of co-orbital motions over a finite but large timescale

The family of Quasi-satellite periodic orbits in the circular co-planar RTBP

In the circular case of the coplanar Restricted Three-body Problem, we studied how the family of quasi-satellite (QS) periodic orbits allows to define an associated libration center. Using the averaged problem, we highlighted a validity limit of this one: for QS orbits with low eccentricities, the averaged problem does not correspond to the real problem. We do the same procedure to L 3 , L 4 and L 5 emerging periodic orbits families and remarked that for very high eccentricities F L4 and F L5 merge with F L3 which bifurcates to a stable family

On the co-orbital motion of two planets in quasi-circular orbits

We develop an analytical Hamiltonian formalism adapted to the study of the motion of two planets in co-orbital resonance. The Hamiltonian, averaged over one of the planetary mean longitude, is expanded in power series of eccentricities and inclinations. The model, which is valid in the entire co-orbital region, possesses an integrable approximation modeling the planar and quasi-circular motions. First, focusing on the fixed points of this approximation, we highlight relations linking the eigenvectors of the associated linearized differential system and the existence of certain remarkable orbits like the elliptic Eulerian Lagrangian configurations, the Anti-Lagrange (Giuppone et al., 2010) orbits and some second sort orbits discovered by Poincar\'e. Then, the variational equation is studied in the vicinity of any quasi-circular periodic solution. The fundamental frequencies of the trajectory are deduced and possible occurrence of low order resonances are discussed. Finally, with the help of the construction of a Birkhoff normal form, we prove that the elliptic Lagrangian equilateral configurations and the Anti-Lagrange orbits bifurcate from the same fixed point L4.Comment: 25 pages. Accepted for publication in Celestial Mechanics and Dynamical Astronom

Experimental study of the structure of a lean premixed indane/CH4/O2/Ar flame

In order to better understand the chemistry involved during the combustion of components of diesel fuel, the structure of a laminar lean premixed methane flame doped with indane has been investigated. The gases of this flame contains 7.1% (molar) of methane, 36.8% of oxygen and 0.90% of indane corresponding to an equivalence ratio of 0.74 and a ratio C9H10/CH4 of 12.75%. The flame has been stabilized on a burner at a pressure of 6.7 kPa using argon as dilutant, with a gas velocity at the burner of 49.2 cm/s at 333 K. Quantified species included usual methane C0-C2 combustion products, but also 11 C3-C5 hydrocarbons and 3 C1-C3 oxygenated compounds, as well as 17 aromatic products, namely benzene, toluene, phenylacetylene, styrene, ethylbenzene, xylenes, trimethylbenzenes, ethyltoluenes, indene methylindane, methylindene, naphthalene, phenol, benzaldehyde, benzofuran. The temperature was measured thanks to a thermocouple in PtRh (6%)-PtRh (30%) settled inside the enclosure and ranged from 800 K close to the burner up to 2000 K in the burned gases.Comment: 6th International Seminar on Flame Structure, Bruxelles : Belgique (2008

A Lean Methane Prelixed Laminar Flame Doped witg Components of Diesel Fuel. Part I: n)Butylbenzene

To better understand the chemistry involved during the combustion of components of diesel fuel, the structure of a laminar lean premixed methane flame doped with n-butylbenzene has been investigated. The inlet gases contained 7.1% (molar) of methane, 36.8% of oxygen and 0.96% of n-butylbenzene corresponding to an equivalence ratio of 0.74 and a ratio C10H14 / CH4 of 13.5%. The flame has been stabilized on a burner at a pressure of 6.7 kPa using argon as diluent, with a gas velocity at the burner of 49.2 cm/s at 333 K. Quantified species included the usual methane C0-C2 combustion products, but also 16 C3-C5 hydrocarbons, 7 C1-C3 oxygenated compounds, as well as 20 aromatic products, namely benzene, toluene, phenylacetylene, styrene, ethylbenzene, xylenes, allylbenzene, propylbenzene, cumene, methylstyrenes, butenylbenzenes, indene, indane, naphthalene, phenol, benzaldehyde, anisole, benzylalcohol, benzofuran, and isomers of C10H10 (1-methylindene, dihydronaphtalene, butadienylbenzene). A new mechanism for the oxidation of n-butylbenzene is proposed whose predictions are in satisfactory agreement with measured species profiles in flames and flow reactor experiments. The main reaction pathways of consumption of n butylbenzene have been derived from flow rate analyses

Around quasi-satellites and remarkable configurations in the co-orbital resonance

L'ensemble des travaux menés au cours de cette thèse concerne l'étude de la résonance co-orbitale. Ce domaine de trajectoires particulières, où un astéroïde et une planète gravitent autour du Soleil avec la même période de révolution, possède une dynamique très riche liée aux célèbres configurations équilatérales de Lagrange, L4 et L5, ainsi qu'aux configurations alignées de Euler, L1, L2 et L3. Un exemple majeur dans le système solaire est donné par les astéroïdes « troyens » qui accompagnent Jupiter au voisinage des équilibres L4 et L5. Une deuxième configuration étonnante est donnée par les satellites Janus et Épiméthée qui gravitent autour de la planète Saturne ; suite à la forme décrite par la trajectoire d’un des satellites dans un repère tournant avec l’autre, la dynamique résultante est appelée « fer-à-cheval ». Un nouveau type de dynamique a été récemment misen évidence dans le contexte de la résonance coorbitale : les « quasi-satellites ». Il s’agit de configurations remarquables où, dans un repère tournant avec la planète, la trajectoire de l’astéroïde correspond à celle d’un satellite rétrograde. Des astéroïdes accompagnant les planètes Venus, Jupiter et la Terre ont notamment été observés dans ces configurations. La dynamique des quasi-satellites possède un grand intérêt, pas seulement parce qu’elle relie les différents domaines de la résonance co-orbitale (voir les travaux de Namouni, 1999) mais aussi parce qu’elle semble faire le pont entre les notions de satellisation et celles de trajectoires héliocentriques. Cependant, bien que le terme « quasi-satellite" soit devenu dominant dans la communauté de mécanique céleste, certains auteurs utilisent plutôt la terminologie « satellite rétrograde » révélant ainsi une ambiguïté sur la définition de ces trajectoires. Les récentes découvertes autour des exo-planètes ont motivé le développement de travaux concernant la résonance co-orbitale dans le problème des trois corps planétaire. Dans ce contexte Giuppone et al. (2010) ont mis en évidence (par une méthode numérique) les quasisatellites ainsi que des nouvelles familles de configurations remarquables : les orbites « anti-Lagrange ». La troisième partie de thèse présente alors une méthode analytique pour l'étude planétaire, permettant de révéler analytiquement les orbites anti-Lagrange ainsi qu'une esquisse d'étude des quasisatellites en adaptant à ce contexte plus général la méthode présentée dans la seconde partie. Pour ces raisons, la première partie de cette thèse a consisté à clarifier la définition de ces orbites en revisitant le cas circulaire-plan (trajectoires coplanaires avec la planète qui gravite sur une orbite circulaire) dans le cadre du problème moyen. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons développé une méthode analytique apte à explorer le domaine des quasi-satellites dans le cadre du problème moyen. Nous avons réalisé cette exploration dans le cas circulaire-plan et proposé une extension aux cas excentrique-plan et circulaire-spatial.This work of thesis focuses on the study of the coorbital resonance. This domain of particular trajectories, where an asteroid and a planet gravitate around the Sun with the same period possesses a very rich dynamics connected to the famous Lagrange’s equilateral configurations L4 and L5, as well as to the Eulerian’s configurations L1, L2 and L3. A major example in the solar system is given by the “Trojan” asteroids harboured by Jupiter in the neighborhood of L4 and L5. A second astonishing configuration is given by the system Saturn-Janus-Epimetheus; this peculiar dynamics is known as “horseshoe”. Recently, a new type of dynamics has been highlighted in the context of co-orbital resonance: the quasi-satellites. They correspond to remarkable configurations : in the rotating frame with the planet, the trajectory of the asteroid seems the one of a retrograde satellite. Some asteroids harboured by Venus, Jupiter and the Earth have been observed in this kind of configuration. The quasi-satellite dynamics possesses great interest not only because it connects the different domains of the co-orbital resonance (see works of Namouni, 1999), but also because it seems to bridge the gap between satellization and heliocentric trajectories. However, despite the term quasi-satellite has become dominant in the celestial mechanics community, some authors rather use the term “retrograde satellite”. This reveals an ambiguity on the definition of these trajectories. For these reasons, the first part of this thesis consisted in clarifying the definition of these orbits by revisiting the planar-circular case (planet on circular motion) in the framework of the averaged problem. In the second part of this thesis, we developed an analytic method to explore the quasi-satellite domain in the averaged problem. We realized this exploration in the planar-circular case and proposed an extension to the planar-eccentric and spatial-circular cases. The recent discoveries around the exo-planets motivated some works on the co-orbital resonance in the planetary Three-Body Problem. In this context, Giuppone et al. (2010) highlighted (numerically) the quasi-satellite as well as new families of remarkable configurations: the “anti-Lagrange”. Then the third part of this thesis presents an analytical method for the planetary problem that allows to reveal the anti-Lagrange orbits as well as a sketch of study of quasi-satellite trajectories

Le quasi-satellites et autres configurations remarquables en résonance co-orbitale

This work of thesis focuses on the study of the coorbital resonance. This domain of particular trajectories, where an asteroid and a planet gravitate around the Sun with the same period possesses a very rich dynamics connected to the famous Lagrange’s equilateral configurations L4 and L5, as well as to the Eulerian’s configurations L1, L2 and L3. A major example in the solar system is given by the “Trojan” asteroids harboured by Jupiter in the neighborhood of L4 and L5. A second astonishing configuration is given by the system Saturn-Janus-Epimetheus; this peculiar dynamics is known as “horseshoe”. Recently, a new type of dynamics has been highlighted in the context of co-orbital resonance: the quasi-satellites. They correspond to remarkable configurations : in the rotating frame with the planet, the trajectory of the asteroid seems the one of a retrograde satellite. Some asteroids harboured by Venus, Jupiter and the Earth have been observed in this kind of configuration. The quasi-satellite dynamics possesses great interest not only because it connects the different domains of the co-orbital resonance (see works of Namouni, 1999), but also because it seems to bridge the gap between satellization and heliocentric trajectories. However, despite the term quasi-satellite has become dominant in the celestial mechanics community, some authors rather use the term “retrograde satellite”. This reveals an ambiguity on the definition of these trajectories. For these reasons, the first part of this thesis consisted in clarifying the definition of these orbits by revisiting the planar-circular case (planet on circular motion) in the framework of the averaged problem. In the second part of this thesis, we developed an analytic method to explore the quasi-satellite domain in the averaged problem. We realized this exploration in the planar-circular case and proposed an extension to the planar-eccentric and spatial-circular cases. The recent discoveries around the exo-planets motivated some works on the co-orbital resonance in the planetary Three-Body Problem. In this context, Giuppone et al. (2010) highlighted (numerically) the quasi-satellite as well as new families of remarkable configurations: the “anti-Lagrange”. Then the third part of this thesis presents an analytical method for the planetary problem that allows to reveal the anti-Lagrange orbits as well as a sketch of study of quasi-satellite trajectories.L'ensemble des travaux menés au cours de cette thèse concerne l'étude de la résonance co-orbitale. Ce domaine de trajectoires particulières, où un astéroïde et une planète gravitent autour du Soleil avec la même période de révolution, possède une dynamique très riche liée aux célèbres configurations équilatérales de Lagrange, L4 et L5, ainsi qu'aux configurations alignées de Euler, L1, L2 et L3. Un exemple majeur dans le système solaire est donné par les astéroïdes « troyens » qui accompagnent Jupiter au voisinage des équilibres L4 et L5. Une deuxième configuration étonnante est donnée par les satellites Janus et Épiméthée qui gravitent autour de la planète Saturne ; suite à la forme décrite par la trajectoire d’un des satellites dans un repère tournant avec l’autre, la dynamique résultante est appelée « fer-à-cheval ». Un nouveau type de dynamique a été récemment misen évidence dans le contexte de la résonance coorbitale : les « quasi-satellites ». Il s’agit de configurations remarquables où, dans un repère tournant avec la planète, la trajectoire de l’astéroïde correspond à celle d’un satellite rétrograde. Des astéroïdes accompagnant les planètes Venus, Jupiter et la Terre ont notamment été observés dans ces configurations. La dynamique des quasi-satellites possède un grand intérêt, pas seulement parce qu’elle relie les différents domaines de la résonance co-orbitale (voir les travaux de Namouni, 1999) mais aussi parce qu’elle semble faire le pont entre les notions de satellisation et celles de trajectoires héliocentriques. Cependant, bien que le terme « quasi-satellite" soit devenu dominant dans la communauté de mécanique céleste, certains auteurs utilisent plutôt la terminologie « satellite rétrograde » révélant ainsi une ambiguïté sur la définition de ces trajectoires. Les récentes découvertes autour des exo-planètes ont motivé le développement de travaux concernant la résonance co-orbitale dans le problème des trois corps planétaire. Dans ce contexte Giuppone et al. (2010) ont mis en évidence (par une méthode numérique) les quasisatellites ainsi que des nouvelles familles de configurations remarquables : les orbites « anti-Lagrange ». La troisième partie de thèse présente alors une méthode analytique pour l'étude planétaire, permettant de révéler analytiquement les orbites anti-Lagrange ainsi qu'une esquisse d'étude des quasisatellites en adaptant à ce contexte plus général la méthode présentée dans la seconde partie. Pour ces raisons, la première partie de cette thèse a consisté à clarifier la définition de ces orbites en revisitant le cas circulaire-plan (trajectoires coplanaires avec la planète qui gravite sur une orbite circulaire) dans le cadre du problème moyen. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons développé une méthode analytique apte à explorer le domaine des quasi-satellites dans le cadre du problème moyen. Nous avons réalisé cette exploration dans le cas circulaire-plan et proposé une extension aux cas excentrique-plan et circulaire-spatial

Coorbital resonance dynamics : an introduction to Quasi-satellite motion

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