Mission analysis and concept design for a reflective balloon mission

In the last century numerous space projects were born to commemorate or inspire people. The ZodiArt mission was born from the idea to mobilise people and drive them to achieve the United Nations 17 Global Sustainable Development Goals. The aims of the ZodiArt iSEE mission is to place a satellite in low Earth orbit that could be visible from ground with naked eyes. To do so, the satellite must be brighter than the sky. For rhis reason the target magnitude of the satellite is selected to be in a range between 0 and 1, these value allows the satellite to be visible after twilight and during night. Different models to compute the satellite magnitude are analysed and a specular model for the reflected sunlight with earthshine contribution is chosen as the most accurate. From the ZodiArt mission requirements, the satellite must pass frequently over a set of cities and it must be visible. Apart from the magnitude, the satellite must be illuminated, it means that it must be in sunlight and in a proper position along the orbit to avoids the background noise due to the sunlight, moreover it must above the horizon of the target city that in the meantime must be in darkness. To satisfy the coverage requirement a repeated ground-track orbit is considered and the Sun-synchronicity is added to have the same illumination conditions during the orbital periods and allows the observations. The influence of the orbital parameters on the visibility of the satellite and on the satellite coverage of the Earth is analysed. Finally an orbit selection is done among a set of suitable obits to respect the mission requirements. The best mean local time of the ascending node to observe the satellite results to be at 7 AM, so the useful observations take place from 19-20 h in the evening. The altitude of the orbit is selected above 800 km to allow a good coverage of the Earth and avoid the effect of the drag perturbation. A balloon with a diameter of 10 m is required to achieve the purpose of the mission. From the preliminary system design the ZodiArt mission results feasible using a satellite with a total mass around 100 kg even if more accurate studies should be done on the configuration and on the attitude control of the balloon. In fact the solar radiation pressure is a constant presence for this type of orbit and its effects on the balloon must be counteracted. This results in a heavy control system. In conclusion, it can be said that the purpose of the ZodiArt mission to deliver a small satellite with a balloon reflecting the sunlight can be satisfied and the night sky could be animated to inspire humanity.

Nel secolo scorso sono nati numerosi progetti spaziali per commemorare o ispirare le persone. La missione ZodiArt è nata dall'idea di mobilitare le persone e guidarle al raggiungimento degli Obiettivi Globali di Sviluppo Sostenibile delle Nazioni Unite 17. Lo scopo della missione di ZodiArt iSEE è di posizionare un satellite in bassa orbita terrestre che possa essere visibile da terra ad occhio nudo. Per fare ciò, il satellite deve essere più luminoso del cielo. Per questa ragione, la magnitudine del satellite viene selezionata in un intervallo tra 0 e 1, questi valori consentono al satellite di essere visibile dopo il crepuscolo e durante la notte. Sonoo stati analizzati diversi modelli per calcolare la magnitudine del satellite ed è stato scelto, essendo il più accurato, un modello speculare della luce solare riflessa a cui è stato aggiunto il contributo della radiazione solare riflessa dalla Terra. Dai requisiti della missione ZodiArt, il satellite deve passare frequentemente su una serie di città e deve essere visibile. Oltre alla magnitudine, il satellite deve essere illuminato, significa che deve essere alla luce del sole e in una posizione corretta lungo l'orbita per evitare il rumore di fondo dovuto alla luce del sole, inoltre deve trovari sopra l'orizzonte della città che nel frattempo deve essere al buio. Per soddisfare il requisito di copertura viene considerata un'orbita che si ripete dopo un preciso tempo e che sia eliosincrona per avere le stesse condizioni di illuminazione durante i periodi orbitali e consentire le osservazioni. è stata analizzata l'influenza dei parametri orbitali sulla visibilità del satellite e sulla copertura della Terra. Infine, è stata seleziona un orbita ottima tra le varie orbite che rispettano i requisiti della missione. L'ora media dell'asse nodale ottima, per osservare il satellite, risulta essere alle 7 del mattino, quindi le osservazioni utili avvengono dalle 19 alle 20 di sera. L'altitudine dell'orbita è selezionata sopra 800 km per consentire una buona copertura della Terra ed evitare l'effetto della perturbazione della resistenza. Per raggiungere lo scopo della missione è necessario un pallone con un diametro di 10 m. Dal progetto preliminare di sistema, i requisiti della missione ZodiArt sono realizzabili utilizzando un satellite con una massa totale di circa 100 kg, anche se si dovrebbero effettuare studi più accurati sulla configurazione e sul controllo dell'assetto del pallone. Infatti la pressione della radiazione solare è una presenza costante per questo tipo di orbita e i suoi effetti sul pallone devono essere neutralizzati. Ciò si traduce in un sistema di controllo pesante. In conclusione, si può dire che lo scopo della missione ZodiArt di fornire un piccolo satellite con un pallone che riflette la luce del sole può essere soddisfatto e il cielo notturno potrà prendere vita e ispirare l'umanità.