Comet interceptor : optimisation of quasi-ballistic departure opportunities by means of a lunar swing-by

As part of the Cosmic Vision Programme, the Comet Interceptor mission was selected in 2019 as a Fast-track mission programmed to be launched in 2028 together with the ARIEL M4 mission. The objective of the mission is the interception of a pristine comet on its way through the solar system. To accomplish this task the spacecraft will be placed in a quasi-Halo orbit around the L2 Lagrangian Point where it will stay until a suitable target is identified. At this point the spacecraft begins its journey to the comet by departing from the parking orbit and escaping the Earth’s gravitational field. The aim of this thesis is the analysis of the first section of this journey, i. e., from the detection of the comet to the moment of escape. The analysis is performed assuming the validity of the Planar Circular Restricted Three-Body Problem (PCR3BP) and focuses on the evaluation of the expected value of the escape velocity with respect to the Earth. Initially the trajectory is computed by simply propagating a set of initial conditions, however, in order to optimise the escape conditions, a lunar flyby is introduced to alter the trajectory achieving higher escape velocity. Via a Monte Carlo Simulation it is demonstrated that optimal flybys can be systematically targeted and exploited under different initial conditions, leading generally to a substantial increase in escape velocity potentially reducing the Dv budget that needs to be provided by the spacecraft. Furthermore, it was proven that for some of the transfers also a reduction of the time of flight can be achieved reducing the required notice time, and thus increasing the success rate of the mission. The obtained analysis serves as a starting point for the analysis of the interplanetary leg of Comet Interceptor. Moreover, the developed methodology can be used for the analysis of trajectories involving multiple lunar flybys.

Nell’ambito del Cosmic Vision Programme, la missione Comet Interceptor è stata selezionata nel 2019 come missione Fast-track programmata per essere lanciata nel 2028 insieme alla missione ARIEL M4. L’obiettivo della missione è l’intercettazione di una cometa incontaminata durante la sua traiettoria attraverso il sistema solare. Per realizzare questo obiettivo la navicella spaziale sarà collocata in un’orbita quasi-Halo intorno al punto Lagrangiano L2 dove rimarrà fino all’identificazione di un obiettivo adatto. A questo punto la navicella spaziale inizierà il suo viaggio verso la cometa partendo dall’orbita di parcheggio e sfuggendo alla gravitazione terrestre campo. Lo scopo di questa tesi è l’analisi della prima sezione di questo viaggio, cioè la traiettoria dal rilevamento della cometa al momento della fuga dalla sfera d’influenza terrestre. L’analisi viene eseguita ipotizzando la validità del problema ristretto dei tre corpi planare e si concentra sulla valutazione del valore atteso della velocità di fuga rispetto a alla Terra. Inizialmente la traiettoria viene calcolata semplicemente propagando un insieme di condizioni iniziali, tuttavia, al fine di ottimizzare le condizioni di fuga, un flyby lunare viene introdotto per modificare la traiettoria ottenendo una velocità di fuga più elevata. Attraverso una simulazione Monte Carlo si dimostra che i flyby ottimali possono essere mirati e sfruttati sistematicamente anche con condizioni iniziali variabili, ottenendo in generale un sostanziale aumento della velocità di fuga che riducendo potenzialmente il Dv budget necessario per la missione. Inoltre, è stato dimostrato che per alcuni dei trasferimenti può essere ottenuta anche una riduzione del tempo di volo, riducendo il tempo di preavviso e quindi aumentando il tasso di successo della missione. L’analisi ottenuta serve come punto di partenza per l’analisi della traiettoria interplanetaria di Comet Interceptor. Inoltre, la metodologia sviluppata può essere utilizzataper l’analisi di traiettorie che coinvolgono più flyby lunari.