Multi-kinetic impactor for asteroid deflection with impact cratering physics uncertainties

A great number of asteroids orbit around the Sun: some of them are classified to be NEOs (Near Earth Objects), celestial bodies whose orbit lies close to or even intersect our planet’s, posing a particular risk to the safety of the planet. Studies are growing day by day, implementing different potential solutions to deflect their Earth-threatening trajectories. The most common solution proposed to face the menace is to kinetically deflect the undesired object. By launching a satellite and aiming at the asteroid itself is possible to cause a hit which instantaneously change the orbital parameters of the asteroid, letting the asteroid to avoid Earth at the time of encounter. The present dissertation will expand the existent work on the topic, by introducing a probabilistic approach for the impact itself. Actually, the hit between the satellite and the asteroid is not following perfectly the inelastic collision theory proposed in the literature. The satellite will produce a crater in the asteroid, breaking up materials which are ejected by the crater, hence producing additional momentum transfer. The analysis is done following both a Montecarlo and an analytical probabilistic approach, taking into account uncertainties of impact velocity, direction of the impact and chemical composition of the asteroid, coming from an extensive literature review onto impact cratering physics. Then the statistical distributions are propagated up to the time of collision and read using a powerful reference frame: the b-plane. The aim of this work is also to search for an optimal space mission solution, capable of optimally dealing with the uncertainties caused at impact via probabilistic handling. Effects of asteroid fragmentation and failure are dealt with a multi-collision strategy. Benefits from the two strategies are compared for designing the optimal space mission solution.

Un grande numero di asteroidi orbita attorno al Sole. Molti di questi sono denominati come NEO (Oggetti prossimi alla Terra), corpi celesti la cui orbita è prossima o interseca quella del nostro pianeta, ponendo un rischio alla sicurezza dello stesso. Studi riguardanti l’ambito crescono di giorno in giorno, implementando diverse strategie per deviare le pericolose traiettorie verso la Terra. Le soluzioni più comuni che sono proposte per affrontare la minaccia sono quelle di deflettere cineticamente l’asteroide. Con il lancio di un satellite e puntando all’asteroide è possibile causare uno scontro cambiandone i parametri orbitali, permettendo all’asteroide di evitare la Terra al tempo di incontro. Il presente documento ha il compito di espandere il lavoro già esistente sull’argomento, introducendo un approccio probabilistico per lo scontro. Infatti, lo scontro tra il satellite e l’asteroide non segue perfettamente la teoria fisica degli urti anelastici proposta nella letteratura. Il satellite produrrà un cratere nell’asteroide, rompendo rocce e altri materiali che verranno espulsi dal cratere, inducendo un incremento della quantità di moto trasmessa all’impatto. L’analisi è compiuta con un approccio probabilistico Montecarlo ed uno analitico, basato su incertezze come la velocità di impatto, direzione dell’impatto e la composizione chimica dell’asteroide, affrontando un esauriente lavoro di letteratura sulla fisica da cratere di impatto. Le distribuzioni statistiche vengono propagate fino a raggiungere il tempo di collisione e lette con un particolare sistema di riferimento, il b-plane. Il cuore di questo lavoro consiste anche nel cercare una soluzione ottima per la missione spaziale, capace di prendere in considerazione le incertezze generate all’impatto con un approccio statistico, inerente alle possibili probabilità di collisione. Gli effetti della frammentazione e distruzione dell’asteroide sono risolti con una strategia a collisione multipla. I benefici dalle due strategie sono confrontati per identificare la migliore soluzione.