Constrained vehicle routing problem solving for multi-platforms on orbit insertion

The growth of the space market and the large development prospects of small satellites missions ask for a paradigmatic change in space transportation; greater number of segments per launch, multiple orbits insertions per launch, cost and time to operations containment are the new goals. A possible approach foresees the use of multi-segments dispensers, which would hop between different delivery points in space to release each satellite on its specific orbit. A constrained multi-points combinatorial optimization problem rises regarding the distribution of satellites on each dispenser, their transfers sequence and their allocation on existing launchers. The thesis proposes a strategy to visit the solutions space and to produce a top-level plan while considering the several DOFs of the problem. For its resolution a tool is developed which accounts for constraints such as the dispenser propulsion unit performance, the launcher volumetric envelope for payload and the launch site. This NP-hard, mixed variables problem, is faced with meta-heuristics techniques working in synergy with powered orbit transfer trajectory optimization to output fuel-optimal deployment scenarios; while the single transfer assumes an unperturbed Keplerian model, leaning on a Δv-optimal Lambert problem solution, the boundary conditions include the secular and long periodic perturbation effects rising throughout the whole mission. Finally, some test cases on Walker constellations are discussed to verify some of the functionalities of the tool and to underline possible weak points that could be improved in the future.

La crescita del mercato spaziale e le prospettive di sviluppo per piccoli satelliti rendono necessario un radicale cambiamento nel trasporto spaziale. Fra i nuovi obiettivi ci sono la possibilità di avere un maggior numero di satelliti per lancio, il raggiungimento di un maggior numero di orbite di rilascio e il contenimento di costi e tempi. Un possibile approccio prevede l’uso di veicoli di rilascio di payload multipli che si traferiscano tra diversi punti nello spazio per rilasciare ogni satellite nell’orbita richiesta. Ne risulta un problema vincolato di ottimizzazione combinatoria, che riguarda la distribuzione dei segmenti spaziali sui veicoli, la sequenza di trasferimenti che questi ultimi devono compiere per rilasciare i satelliti nelle posizioni richieste e la loro allocazione su lanciatori esistenti. Questa tesi propone una strategia che esplori lo spazio delle soluzioni e produca una pianificazione di alto livello che sfrutti i gradi di libertà del problema, elaborando uno strumento per la sua risoluzione che tenga conto di vincoli come la prestazione dell’unità propulsiva dei veicoli, lo spazio disponibile per il payload nell’ogiva dei lanciatori e il sito di lancio. Il problema NP-difficile a variabili miste è affrontato con tecniche meta-euristiche che lavorano su soluzioni ottenute tramite l’ottimizzazione delle singole orbite di trasferimento tra punti di rilascio, per produrre scenari di dispiegamento ottimali dal punto di vista del consumo della massa lanciata; mentre il trasferimento si basa su un modello kepleriano a due corpi non perturbato, in quanto i singoli archi di trasferimento sono ottenuti risolvendo problemi di Lambert, le condizioni al contorno includono gli effetti di perturbazione secolari e di lungo periodo, che possono diventare rilevanti nel corso dell'intera missione. Sono infine discussi alcuni casi di test su costellazioni di tipo Walker per verificare le funzionalità dello strumento e rilevare eventuali criticità sulle quali intervenire in futuro.