Non-Keplerian models for mission analysis scenarios about small solar system bodies

The thesis work focuses on the implementation of non-Keplerian models and their applications to space mission analysis scenarios. Non-Keplerian dynamics are used to accurately reproduce the gravity field around small Solar System bodies such as asteroids or comets and to conveniently exploit their gravitational environment for trajectory design purpose. Compared to Earth or other planets in the Solar System, small celestial bodies are characterized by very weak and irregular gravity field. This turns into a highly challenging mission analysis to be solved when designing a space mission. The mass distribution of such bodies is modeled by means of either mass-concentrated or shape-based models. Mass-concentrated models have the significant advantage to require less computational effort and also, they naturally simulate the effect of having a non-uniform density distribution and the presence of voids in the internal structure of the celestial body. The mass-concentrated model is obtained here by means of asteroid N-body gravitational aggregation. Shape-based models can reproduce to higher fidelity the gravity field around homogeneous small bodies, given their shape and density distribution, at the cost of a higher computational effort required, compared to mass-concentrated models. Relevant solutions, of interest for space mission scenarios aimed at the exploration of asteroids or comets, are found by using nonlinear system dynamics techniques applied to non-Keplerian astrodynamics problems. Such solutions include periodic motion and invariant manifolds associated to equilibrium or periodic solutions in the proximity of such bodies. Mission analysis scenarios are studied for the case of exploration of binary asteroid systems. Investigated scenarios include landing about a binary asteroid with a two-lobed elongated primary, designed through a patched three-body approach. Close-proximity operations in the context of the Asteroid Impact Mission are investigated and suitable solutions are presented to land a probe on the smaller asteroid of a binary couple. The last scenario studies formation flying dynamics in the proximity of libration point orbits associated to a binary system.

Il lavoro di tesi si focalizza sulla realizzazione di modelli non-Kepleriani e sulle loro applicazioni per scenari di analisi di missione in campo spaziale. Dinamiche di tipo non-Kepleriano sono utilizzate per riprodurre con precisione il campo gravitazionale intorno a piccoli corpi celesti del Sistema Solare, come asteroidi o comete, e per sfruttare in maniera conveniente il loro ambiente gravitazionale ai fini della progettazione di traiettoria. Rispetto alla Terra o agli altri pianeti del Sistema Solare, asteroidi e comete sono caratterizzati da un campo gravitazionale molto debole ed irregolare. Ciò dà luogo ad un problema complesso da risolvere in termini di analisi di missione in ambito spaziale. La distribuzione di massa di questi corpi celesti viene modellata per mezzo di modelli a masse concentrate o modelli basati sulla forma dell'oggetto. I modelli a masse concentrate hanno il vantaggio significativo di richiedere un minore sforzo computazionale. Inoltre, garantiscono la possibilità di simulare una distribuzione di densità non uniforme e la presenza di vuoti nella struttura interna del corpo celeste. Il modello a masse concentrate viene qui ottenuto con un metodo ad N-corpi, usato per simulare le dinamiche naturali di aggregazione di asteroidi. I modelli basati sulla forma dell'oggetto garantiscono, rispetto ai modelli a masse concentrate, una maggiore fedeltà del campo gravitazionale intorno a piccoli corpi celesti, a patto che sia nota la loro forma e distribuzione di densità, al costo di un maggiore carico computazionale richiesto. Alcune tipologie di soluzioni dinamiche, di interesse nell'ambito della progettazione di missioni spaziali volte all'esplorazione di asteroidi o comete, sono presentate e calcolate, utilizzando tecniche numeriche per sistemi dinimici non lineari, applicate a problemi di astrodinamica. Tali soluzioni includono varie tipologie di moto periodico e di varietà invarianti associati a punti di equilibrio o a soluzioni periodiche. Sono qui proposti e studiati alcuni scenari di analisi di missione, ringuardanti missioni volte all'esplorazione di sistemi di asteroidi binari. Il primo degli scenari studiati riporta la progettazione di una traietoria di atterraggio su un asteroide binario il cui primario appartiene alla tipologia di asteroidi allungati e a due lobi. La traiettoria di atterraggio è progettata mediante un approccio a tre corpi "patched". Il secondo scenario affronta il problema della Asteroid Impact Mission. Soluzioni per l'atterraggio di una piccola sonda passiva sulla superficie del più piccolo tra i due asteroidi del sistema binario vengono presentate. L'ultimo scenario studia le dinamiche relative di volo in formazione in prossimità di orbite intorno ai punti lagrangiani associati ad un sistema binario.