Mission analysis and operational aspects for a lunar exploration architecture

The present work is focused on the analysis of a future lunar exploration architecture, coupling analytical techniques, trajectory design tools, and operational aspects. Recently, a renewed interest was observed toward the exploration of the Moon, particularly with NASA's intention to bring astronauts back to the lunar surface by the year 2024, the first after the end of the Apollo program. All over the world, space industries and agencies have manifested the intention to develop lunar orbiters, landers, rovers, thus fostering new research ideas and international partnerships. At the time of the Apollo program, a set of constraint and aspects (technical and political) required robust transfer strategies and parking orbits, eventually leading to a quasi-Hohmann transfer from Earth to the Moon, and the use of circular low lunar orbits for the modules, likely at the expense of the overall fuel budget. Libration point orbits, although already envisaged by pioneering works, were not considered for the first human landing on the Moon. In recent times, a great deal of attention was given to libration point orbits in the Earth-Moon system. These orbits, non-Keplerian in nature, possess appealing features in terms of cheap access, low eclipse times, low station keeping requirements, and Earth visibility. Moreover, the tidal lock of the Moon rotation with its orbital motion causes its surface to keep the same relative geometry with respect to libration points orbits, rendering them particularly suitable for lunar surface access. This investigation analysed transfer trajectories, rendezvous strategies, and disposal possibilities for a lunar exploration architecture. The term architecture is employed, instead of mission, considering that in such environment there will be synergies between multiple vehicles, both on the surface and in orbits, thus going beyond the concept of a single-objective mission design. The introduction of operational aspects, such as manoeuvre execution error, orbit determination issues, vehicle constraints, etc., proved to be beneficial for the design of such architectures, showing how trajectory analysis and fuel budgets can be further optimised with an overall gain, at the expense of a little increase in complexity in the design process. The research framework collects results from different mission phases, from Earth departure to disposal. Although each phase (transfer, landing, rendezvous, disposal) can be analysed as a stand-alone problem, the study aimed at coupling all the phases, and exploiting the boundary conditions of each problem to connect them in a global framework, proving the effectiveness of the presented methodologies and their applicability to future lunar exploration vehicles.

Il lavoro si focalizza sull’analisi di una future architettura di esplorazione lunare, accoppiando tecniche analitiche, design di traiettorie e aspetti operativi. In tempi recenti, si è potuto osservare un rinnovato interesse verso l’esplorazione lunare, in particolare con le intenzioni della NASA di riportare astronauti sulla superficie lunare entro il 2024, in quella che risulterebbe la prima missione umana dopo la fine del programma Apollo . In tutto il mondo, agenzie e industrie spaziali hanno manifeste intenzioni di sviluppare veicoli lunari di diverso tipo. Le orbite intorno ai punti di equilibrio del sistema Terra-Luna hanno ricevuto molta attenzione recentemente. Queste orbite, di natura non-kepleriana, posseggono interessanti caratteristiche in termini di facilità di accesso, eclissi, station-keeping, e visibilità della Terra. Inoltre, la risonanza del periodo di rotazione della Luna con la sua rivoluzione rende costante la geometria relativa della superficie rispetto a tali orbite, incrementandone la capacità di accesso alla superficie. Questo lavoro analizza traiettorie di trasferimento, strategie di rendezvous, e possibilità operative a fine vita per un’architettura di esplorazione lunare. Viene usato il termine architettura, invece di missione, per sottolineare le possibili sinergie fra numerosi veicoli, sia sulla superficie che in orbita, superando il concetto di missione con un singolo obiettivo. L’introduzione di aspetti operativi, come errore nell’esecuzione delle manovre, determinazione orbitale, vincolo di sistema, ecc., è risultata benefica in termini di ottimizzazione del design. Lo studio unisce risultati di diverse fasi, dalla partenza da orbita terrestre al fine vita, mirando a un accoppiamento globale di tutte le fasi nel processo di design, dimostrando l’efficacia delle strategie proposte.