A homotopic direct collocation approach for operational-compliant trajectories design

The topic of this thesis is the optimization of Operational-Compliant Trajectories, intended as transfers which require the imposition of particular constraints in terms of thrusting and coasting periods along the path. In particular, these trajectories are necessary to allow the implementation of stand-alone CubeSats missions, which are demonstrated to be the future development of space sector. In this terms, M-ARGO, an ESA mission to a NEA which is included in the aforementioned category and which is actually under development with the participation of Politecnico di Milano, is considered as case study. An algorithm, here called Homotopic Direct Collocation, is presented to find optimal transfers for the mission. Several solutions have been computed with this method in order to test the code, considering the 5 different possible targets selected during the phase A of M-ARGO mission design and comparing the results with the already selected Backup and Baseline solutions. Finally, a Contingency Analysis considering thrust failure on two of these solutions have been realized using the same algorithm.

L’argomento di questa tesi è l’ottimizzazione di Traiettorie Operational-Compliant, intesa come il calcolo di trasferimenti orbitali ottimali che richiedono l’imposizione di particolari vincoli in termini di alternazione di periodi di spinta e di dinamica libera lungo il percorso. In particolare queste traiettorie sono necessarie per la realizzazione di missioni per CubeSats stand-alone, le quali rappresentano il futuro sviluppo del settore spaziale. Come caso studio è stata selezionata M-ARGO, una missione dell’Agenzia Spaziale Europea ESA compresa nella categoria cui sopra, e la cui Mission Analysis si sta svolgendo in parte al Politecnico di Milano. L’algoritmo chiamato Homotopic Direct Collocation viene presentato in questa tesi con lo scopo di trovare i trasferimenti ottimi per questa missione. Diverse soluzioni sono state calcolate per testare il codice, considerando i cinque asteroidi selezionati durante la fase A di M-ARGO come possibili target. I risultati ottenuti sono messi a confronto con le soluzioni di Baseline e di Backup già scelte, e calcolate con un metodo differente. Infine, un’analisi di contingenza sulle soluzioni per due asteroidi è stata realizzata utilizzando lo stesso algoritmo.