The active asteroids tour

The active asteroids represent a newly recognized class of small body in the solar system: their peculiarity lies in having both the orbital characteristics of asteroids, residing in orbits interior to Jupiter's and having the Tisserand parameter substantially larger than 3, and the physical properties of comets, in the form of comae or tails. The causes of the activity are thought to be many and varied but in general there is no certainity due to the lack of sufficient data. Scientific interest in the active asteroids lies in their promise to open new avenues into the direct study of asteroid destruction, the production of interplanetary debris, the abundance of asteroid ice and the origin of terrestrial planet volatiles. This thesis work discusses potential trajectory options for a future science mission dedicated to gain relevant understanding of the active asteroids: a challenging multi-objective optimization problem has been solved and the feasibility of such a mission concept discussed. The considered problem of visiting a group of targets, which belongs to the topic of combinatorial optimization, has been tackled by decomposing it into two subproblems, one discrete and the other continuous, that have been solved independently. In the former, which represents the crux of the trajectory design, the optimal sequence of asteroids to visit has been determined by applying Bellman's optimality principle and splitting the problem in a sequence of short legs. In the second step a standard nonlinear programming has been solved to perform a continuous optimization on the trajectories obtained with the goal of further decreasing the overall costs. The implemented program has then been used to investigate the potential tours that are possible for a spacecraft equipped with both a high and low propulsion system: finally a few specific candidates were selected as baseline trajectories.

Gli asteroidi attivi rappresentano una nuova classe di piccoli corpi nel sistema solare: la loro peculiarità risiede nell'avere sia le caratteristiche orbitali degli asteroidi, risiedendo in orbiti interiori a quelli di Giove ed avendo un valore del parametro di Tisserand maggiore di 3, e le proprietà fisiche delle comete, nella forma di atmosfere e code. Si pensa che le cause dell'attività siano molte e variegate ma in generale non esiste certezza a causa della mancanza di sufficienti dati a disposizione. L'interesse scientifico negli asteroidi attivi risiede nella loro promessa di aprire nuove strade nello studio diretto della distruzione degli asteroidi, la produzione di detriti interplanetario, l'abbondanza di ghiaccio negli asteroidi e dell'origine dei volatili terrestri. Il lavoro di tesi qui presentato si propone di indagare le possibili traiettorie per una futura missione scientifica dedicata ad aumentare la comprensione degli asteroidi attivi: un impegnativo problema di ottimizzazione multiobiettivo è stato risolto e la fattibilità di una tale missione discussa. Il problema considerato della visita di un gruppo di obiettivi, che appartiene alla branca dell'ottimizzazione combinatoria, è stato affrontato scomponendolo in due sottoproblemi, uno discreto e l'altro continuo, che sono stati risolti indipendentemente l'uno dall'altro. Nel primo, che rappresenta il punto cruciale per la progettazione della traiettoria, la sequenza ottima di asteroidi da visitare è stata determinata applicando il principio di ottimalità di Bellman tramite la divisione del problema in una sequenza di brevi tratti. Nel secondo un problema standard di programmazione non lineare è stato risolto per effettuare un'ottimizzazione continua delle traiettorie ottenute con lo scopo di ridurre ulteriormente i costi complessivi. Il programma sviluppato è stato quindi usato per indagare i potenziali profili di missioni fattibili per una sonda equipaggiata sia con un sistema di propulsione ad alta e bassa spinta: infine sono state messe in evidenza le traiettorie più promettenti.