Modeling and optimization of aero-ballistic capture

In this thesis a novel paradigm for Mars missions is formulated, modeled and assessed. This concept consists of a maneuver that combines two of the most promising methods in terms of mass saving: aerocapture and ballistic capture; it is labeled aero-ballistic capture. The idea is reducing the overall cost and mass by exploiting the interaction with the planet atmosphere as well as the complex Sun--Mars gravitational field. The aero-ballistic capture paradigm is first formulated. It is split into a number of phases, each of them is modeled with mathematical means. The problem is then stated by using optimal control theory, and optimal solutions, maximizing the final mass, are sought. These are specialized to four application cases. An assessment of aero-ballistic capture shows their superiority compared to classical injection maneuvers when medium-to-high final orbits about Mars are wanted.

In questa tesi, è formulato, modellato e valutato un nuovo paradigma per missioni verso Marte. Questi consiste in una manovra che combina due dei metodi più promettenti in termini di riduzione della massa, l'aerocattura e la cattura balistica, ed è definito cattura aero-balistica. L'idea è di ridurre il costo totale e la massa andando a sfruttare sia l'interazione con l'atmosfera sia il complesso campo gravitazionale creato dal Sole e da Marte. Come primo punto, è formulato il paradigma della cattura aero-balistica, dividendo la manovra in una serie di fasi, ognuna modellata matematicamente. Successivamente il problema è esposto utilizzando la teoria del controllo ottimo in modo da cercare soluzioni ottime, che massimizzino la massa. Queste sono analizzate in dettaglio per quattro casi studio. Una valutazione sulla cattura aero-ballistica mostra la superiorità di queste soluzioni rispetto alle manovre classiche di inserimento intorno a Marte quando l'orbita finale desiderata ha un'altitudine media o alta.