Absolute and relative 6DOF dynamics, guidance and control for large space structures in cislunar environment

Future science and exploration missions will exploit cislunar environment as effective outpost to advance technology readiness in view of human presence beyond Earth. These ambitious space programmes entail modular large space infrastructures to be available in non-Keplerian orbits, to run manned and robotic activities in Moon vicinity. As ISS operations teach, in space outposts ask for complex logistic, which leans on rendezvous and docking/undocking capabilities between space segments, and embrace different engineering disciplines. So far, no mission performed autonomous and accurate proximity operations but in LEO. Conversely, several flown missions were operational on non-Keplerian orbits, exploiting the increased knowledge about n-body dynamics modelling for trajectory design. However, existing studies deeply investigating the 6 DOF absolute and relative dynamics in non-Keplerian orbits are somewhat missing; this area of investigation is now mandatory to support the cislunar infrastructure design and implementation, assessing and addressing practical solutions for guidance and control strategies, which shall be applicable to reliably manage proximity operations of the lunar gateway. The dissertation, starting from the well-known restricted n-body problem formulation, presents analyses and results obtained by adding a coupled orbit-attitude dynamical model and the effects due to the large structure flexibility. The cislunar environment is accurately modelled, assessing the fidelity of various modelling approaches. Thus, the most relevant perturbing phenomena, such as the Solar Radiation Pressure and the Sun’s gravity, are included in the Earth-Moon system model as well. A multi-body approach is preferred to represent possible configurations of the large and flexible cislunar structure: interconnected simple structural elements - such as beams, rods or lumped masses linked by springs - build up the space segment. The 6 DOF dynamical models are implemented to analyse absolute and relative dynamics in cislunar space. Moreover, efficient 6 DOF absolute and relative guidance and control methods are presented. In particular, single and dual-spin stabilisation are compared and the results are carefully analysed to highlight an attitude control strategy that is less resource consuming. Analogously, relative guidance and control functions are implemented for non Keplerian orbits proximity operations. Furthermore, additional guidance and control functions able to deal with flexible space systems are presented; classical control methods are deeply investigated, together with a preliminary assessment of a wave-based attitude control technique. The outcomes of the research work presented in this dissertation are intended to highlight relevant results and drivers for cislunar outposts design, with the purpose to better leverage the coupled 6 DOF natural dynamics in computing effective and efficient trajectories, while addressing functional and performance requirements. On board resource limitations and mission reliability are highlighted in the analyses. Different case studies for large space structures in selected non-Keplerian orbits in the Earth-Moon system are discussed, to point out some relevant conclusions for the potential implementation of such a mission.

I programmi per il futuro dell'esplorazione spaziale prevedono l'utilizzo dello spazio cislunare come un utile avamposto per aumentare il livello tecnologico e ingegneristico, in attesa della permanenza continua degli esseri umani al di fuori della Terra. Questi programmi spaziali sono molto ambiziosi e prevedono la costruzione di un'infrastruttura modulare e di grandi dimensioni in orbita non-Kepleriana; la quale sarà utilizzata in modo da compiere delle operazioni e dei test nelle vicinanze della Luna, ad opera di astronauti e robot. L'esperienza sulla ISS ci insegna che, nelle stazioni spaziali, è richiesta una logistica molto complessa, che sappia sfruttare in maniera efficace le capacità multidisciplinari di rendezvous e di docking/undocking tra i diversi segmenti spaziali. Tuttavia, finora, nessuna missione spaziale ha eseguito in maniera autonoma operazioni di prossimità nello spazio cislunare. Anche se alcuni satelliti sono già operativi in orbite non-Kepleriane e, nel recente passato, sono state sviluppate molte conoscenze sulla modellazione delle dinamiche a n-corpi per la progettazione delle traiettorie spaziali non-Kepleriane, lo studio della dinamica assoluta e relativa a 6 gradi di libertà accoppiati non è mai stato approfondito per orbite vicino alla Luna. Questo settore di ricerca è ora molto interessante per supportare la progettazione e l'implementazione di un'eventuale stazione spaziale cislunare. La ricerca deve infatti valutare delle soluzioni pratiche per le strategie di guida e controllo, capaci di gestire in modo affidabile le operazioni di prossimità che saranno richieste. Questa tesi di dottorato, partendo dalla dinamica a n-corpi, presenta delle analisi e dei risultati ottenuti utilizzando un modello della dinamica orbitale accoppiata a quella di assetto, inclusiva di tutti gli effetti dovuti alla flessibilità della struttura. L'ambiente cislunare è stato descritto con molta precisione, valutando l'accuratezza dei vari modelli. Pertanto, le perturbazioni più rilevanti, come la pressione della radiazione solare e la gravità del Sole, sono state considerate nel modello del sistema Terra-Luna. La configurazione della struttura cislunare è stata rappresentata utilizzando un metodo multi-corpo: semplici elementi strutturali - come travi, aste o masse concentrate collegate da molle - sono interconnessi per comporre il modello dell'intero sistema spaziale. Le dinamiche assolute e relative a 6 gradi di libertà sono studiate nello spazio cislunare insieme ai rispettivi sistemi di guida e controllo. In particolare, è stato approfondito lo studio dei moti periodici, delle dinamiche naturali e dei sistemi stabilizzati a singolo e doppio spin, in modo da evidenziare una strategia di guida e controllo il più efficiente possibile, che possa essere implementata e utilizzata per le operazioni di prossimità in orbite non-Kepleriane. Infine, il risultato delle analisi e dello studio è stato applicato ai sistemi spaziali flessibili, in modo da evitare delle interazioni tra sistema di controllo e risposta naturale della struttura. I metodi di controllo classici sono stati confrontati con una tecnica di controllo dedicata ai sistemi flessibili: il controllo wave-based. I contenuti della ricerca che sono presentati e discussi in questa tesi hanno lo scopo di evidenziare i risultati rilevanti per la progettazione di grandi strutture spaziali in ambiente cislunare.