At the 50th anniversary of Apollo 11, the Moon is back to the scene of scientific and commercial space exploration interests. During the next decade, the establishment of a Gateway in cislunar non-Keplerian orbits will open the space frontiers to sustainable manned and robotic missions on and around the Moon. This asset will be exploited to advance technologies, capabilities and best practices to tackle challenges for the next journey to Mars and beyond, while mitigating possible risks. Such infrastructure will require several logistic operations for its assembly and maintenance, which lean on rendezvous and docking/undocking capabilities. Even if few missions have flown on non-Keplerian orbits, thank to the recent progresses in multi-body trajectory design, rendezvous and docking (RV\&D) operations have not been performed but in LEO. Investigations about 6DOF relative dynamics in non-Keplerian environment are now mandatory to highlight criticalities in the design of the cislunar gateway and to translate RV\&D protocols, consolidated in LEO for the ISS, to the new non-Keplerian environment. In this direction, the paper first analyses the orbit-attitude dynamics within the CR3BP framework. A novel perspective of the dynamical structures constituting 6DOF manifolds allows to better characterize the natural relative dynamics in proximity of non-Keplerian orbits. The importance of orbit-attitude manifolds exploitation is underlined for designing reliable and efficient rendezvous trajectories and formation flying applications. Then, an ephemeris cislunar model is exploited to address cislunar RV\&D operations. The control capability is included in the dynamics of the chaser vehicle, which is employed to solve the 6DOF rendezvous problem. The results obtained with the controlled dynamics are compared to those available thanks to natural motion, discussing the energetic and time costs to complete the maneuvers. Operational challenges are discussed about the identified favourable locations along the orbit to perform RV\&D operations, highlighting possible relations between RV\&D time and non-Keplerian orbit's period.
A 50 anni di distanza dalla storica missione Apollo 11, la Luna è tornata ad essere protagonista dell'esplorazione spaziale scientifica e commerciale. Durante il prossimo decennio, l'istituzione di un Gateway in orbita non-Kepleriana nello spazio cislunare aprirà le frontiere spaziali a missioni sostenibili, sia robotiche che umane, su e intorno alla Luna. Questo avamposto spaziale sarà sfruttato per sviluppare le tecnologie, le capacità e i protocolli di azione per affrontare le sfide del prossimo viaggio su Marte e oltre, attenuando al tempo stesso i possibili rischi. Tale infrastruttura richiederà diverse operazioni logistiche per il suo assemblaggio e manutenzione, le quali saranno basate su efficienti operazioni di rendezvous e docking/undocking. Anche se poche missioni sono volate su orbite non-Kepleriane grazie ai recenti progressi nella progettazione di traiettorie considerando gli effetti gravitazionali di multipli corpi massicci, le operazioni di rendezvous e docking (RV\&D) non sono state ancora eseguite se non in orbita terrestre bassa (LEO). Indagini sulle dinamiche relative 6DOF in ambiente non-Kepleriano sono ora obbligatorie per evidenziare le criticità nella progettazione del gateway cislunare e per tradurre i protocolli di RV\&D, consolidati in LEO per la ISS, nel nuovo ambiente non-Kepleriano. In questa direzione, questa ricerca vuole come prima cosa analizzare le dinamiche di orbita-assetto descritte attraverso il modello dinamico del CR3BP. Una nuova prospettiva delle strutture dinamiche che costituiscono i manifolds, estese anche alla loro componente di assetto, consente di caratterizzare meglio le dinamiche relative naturali in prossimità di orbite non-Kepleriane. Nelle analisi viene sottolineata la possibilità dello sfruttamento dei manifolds per la progettazione di traiettorie di rendezvous affidabili ed efficienti e per applicazioni in volo di formazione. Nella seconda parte della ricerca, un modello dinamico dell'ambiente cislunare basato sulle effemeridi viene sfruttato per indirizzare il design delle operazioni di RV\&D cislunare. La capacità di controllo è inclusa direttamente nella dinamica del veicolo inseguitore. Quindi, un processo di ottimizzazione sul controllo viene proposto per risolvere il problema del 6DOF rendezvous. I risultati ottenuti dalla dinamica controllata vengono confrontati con quelli disponibili grazie alle analisi sul movimento naturale, discutendo i costi energetici e di tempo necessari per completare le manovre. Le sfide operative sono discusse considerando possibili posizioni favorevoli identificate lungo l'orbita per eseguire le operazioni di RV\&D, evidenziando possibili relazioni tra il tempo di RV\&D e il periodo dell'orbita non-Kepleriana.
Characterization of relative 6DOF natural and controlled dynamics in cislunar space
COLOMBI, FRANCESCO
2017/2018
Abstract
At the 50th anniversary of Apollo 11, the Moon is back to the scene of scientific and commercial space exploration interests. During the next decade, the establishment of a Gateway in cislunar non-Keplerian orbits will open the space frontiers to sustainable manned and robotic missions on and around the Moon. This asset will be exploited to advance technologies, capabilities and best practices to tackle challenges for the next journey to Mars and beyond, while mitigating possible risks. Such infrastructure will require several logistic operations for its assembly and maintenance, which lean on rendezvous and docking/undocking capabilities. Even if few missions have flown on non-Keplerian orbits, thank to the recent progresses in multi-body trajectory design, rendezvous and docking (RV\&D) operations have not been performed but in LEO. Investigations about 6DOF relative dynamics in non-Keplerian environment are now mandatory to highlight criticalities in the design of the cislunar gateway and to translate RV\&D protocols, consolidated in LEO for the ISS, to the new non-Keplerian environment. In this direction, the paper first analyses the orbit-attitude dynamics within the CR3BP framework. A novel perspective of the dynamical structures constituting 6DOF manifolds allows to better characterize the natural relative dynamics in proximity of non-Keplerian orbits. The importance of orbit-attitude manifolds exploitation is underlined for designing reliable and efficient rendezvous trajectories and formation flying applications. Then, an ephemeris cislunar model is exploited to address cislunar RV\&D operations. The control capability is included in the dynamics of the chaser vehicle, which is employed to solve the 6DOF rendezvous problem. The results obtained with the controlled dynamics are compared to those available thanks to natural motion, discussing the energetic and time costs to complete the maneuvers. Operational challenges are discussed about the identified favourable locations along the orbit to perform RV\&D operations, highlighting possible relations between RV\&D time and non-Keplerian orbit's period.| File | Dimensione | Formato | |
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