Nanosatellites formation flying in binary asteroids systems

Formation flying is becoming of great interest nowadays because of the many advantages it can offer, in terms of weight, complexity, risks and costs. Such advantages are particularly desired when complex missions are involved, and risky and relatively unknown environments, such as binary asteroids systems, are targeted. For these reasons, it is useful to study how formation fl ying can be exploited for scientific missions aiming at this kind of celestial objects. When facing this challenging task, different issues arise: in first place, the asteroids' uneven shape forces to adopt more precise gravitational models with respect to the classical point mass approximation, and secondly, binary systems require the exploitation of the well-known Three-Body problem, and consequently the adoption of specific numerical techniques to successfully define periodic orbits suitable for the formation. The present work aims at the definition of a fast optimization strategy, capable of dealing with the Three-Body dynamics in irregular gravity fields, providing a wide set of orbit families and defining the best combinations among them to place two spacecraft, provided the mission objectives. A study applied to AIDA (Asteroid Impact and De ection Assessment), targeting the binary asteroid system Didymos, is shown and described. After a brief description of the model used for the Three-Body dynamics, and of the asteroids' shape models adopted to simulate the irregular gravity field, a study on the dynamics of the system is developed, generating di erent families of orbits, and comparing them with their respective in the point mass approximation frame. Finally, the families of orbits are combined to find the best configurations for a two satellites formation, and subsequently modified according to a local optimization process, to find the best fit of the specific mission objectives from AIDA.

Il volo in formazione sta attualmente acquisendo grande interesse grazie ai numerosi vantaggi che esso offre, in termini di peso, complessità, rischi e costi. Tali vantaggi sono particolarmente richiesti quando sono coinvolte missioni complesse e quando si pongono come obiettivo ambienti rischiosi e relativamente sconosciuti, come i sistemi binari di asteroidi. Per queste ragioni, è utile studiare come sfruttare il volo in formazione per missioni scientifiche che puntano a questo tipo di corpi celesti. Nell' affrontare questo diffcile compito, sorgono diverse problematiche: in primo luogo, la forma irregolare degli asteroidi obbliga all'utilizzo di modelli gravitazionali più precisi rispetto alla classica approssimazione a masse puntiformi, e, secondariamente, i sistemi binari richiedono l'utilizzo del noto problema dei tre corpi, e conseguentemente l'adozione di tecniche numeriche specifiche per la definizione delle orbite periodiche nel sistema, adatte al volo in formazione. Il presente lavoro mira alla definizione di una strategia di ottimizzazione rapida, capace di gestire la dinamica dei tre corpi in campi gravitazional irregolari, e fornire un ampio gruppo di famiglie di orbite, determinando le migliori combinazioni tra esse, dati gli obiettivi di missione, allo scopo di collocare una formazione composta da due satelliti. Uno studio applicato alla missione AIDA (Asteroid Impact and Defl ection Assessment), diretta al sistema binario di asteroidi Didymos, viene qui illustrato e descritto. A seguito di una breve descrizione dei modelli usati per la dinamica dei tre corpi, e dei modelli di forma degli asteroidi, sfruttati per simulare il campo gravtazionale irregolare, viene sviluppato lo studio della dinamica del sistema, generando diverse famiglie di orbite e comparandole con il loro equivalente nel modello gravitazionale a masse puntiformi. In ultima sede, tali famiglie sono combinate tra loro per identificare le migliori configurazioni per una formazione di due satelliti, e successivamente sono modi ficate secondo un processo di ottimizzazione locale, per adattare ulteriormente le configurazioni agli obiettivi specifici della missione AIDA.