Coupled orbital-attitude dynamics of large structures in non-Keplerian orbits

Interest on Large Space Structures (LSS), orbiting in strategic and possibly long-term stable locations, is nowadays increasing in the space community. They can serve as strategic outpost to support a large variety of manned and unmanned mission, or may carry scientific payloads to broaden the knowledge of our Universe. The present work is devoted to the analysis of LSS in the Earth-Moon system, exploiting the peculiar dynamics offered by such multi-body gravitational environment. The coupling between attitude and orbital dynamics is investigated, with particular interest on the gravity gradient torque exerted by the two massive attractors. First, natural periodic orbit-attitude solutions are obtained; a LSS which exploits such solutions would benefit of a naturally periodic body rotation synchronous with the orbital motion, easing the effort of the attitude control system to satisfy pointing requirements. Then, the effect of Solar Radiation Pressure is investigated, eventually introducing it in the full dynamical model and finding novel periodic attitude solutions. Benefits of such behaviors are discussed throughout the work. Finally, the effects of flexible structures are introduced and examined, with a simple yet effective model. The coupling of structural vibrations and attitude motion is preliminarily explored, drawing conclusions on possible issues encountered by LSS.

L'interesse verso Strutture Spaziali Estese (SSE), poste in posizioni strategiche e possibilmente stabili sul lungo periodo, è oggigiorno sempre più ampio nella comunità spaziale. Queste possono essere utilizzate come avamposti strategici per supportare varie missioni con e senza equipaggio, oppure trasportare strumenti scientifici avanzati per ampliare la conoscenza del nostro Universo. Il presente lavoro è dedicato all'analisi di SSE nel sistema Terra-Luna, sfruttando la dinamica peculiare che tale ambiente gravitazionale offre. L'accoppiamento fra moto di assetto e orbitale è indagato, focalizzando l'attenzione sulla coppia di gradiente gravitazionale esercitata dai due attrattori massivi. Inizialmente si ottengono soluzioni naturalmente periodiche del moto assetto-orbitale; una SSE potrebbe sfruttare una di tali soluzioni e trarre beneficio da un moto rotazionale di assetto periodico, sincrono con il moto orbitale, semplificando l'azione di un sistema di controllo d'assetto nel soddisfare alcuni requisiti di puntamento. Successivamente si indaga l'effetto della Pressione di Radiazione Solare, fino alla sua integrazione nel modello dinamico completo, trovando nuove soluzioni periodiche del moto d'assetto. Il lavoro discute e argomenta i possibili benefici di tali moti. Si introduce infine l'effetto della flessibilità, con un modello semplice ma efficace allo scopo. L'accoppiamento fra vibrazioni strutturali e moto d'assetto è indagato in maniera preliminare, traendo alcune conclusioni sui possibili fenomeni problematici a cui le SSE potrebbero andare incontro.