Gravitational-magnetic tug. An investigation on combined gravitational and magnetic interaction for asteroid deflection and control

Near Earth Objects (NEOs) pose a great threat to our planet not only due to the direct consequences of a possible impact, but rather because of the long-term climatic effects it would induce. Many deflection strategies, based on either impacting the NEO or gently pushing it for a long time, have been proposed to reduce its impact probability or to avoid its passage into an Earth’s gravitational keyhole that would lead to a future impact. Among these, the Gravitational Tug (GT) technique is one of the best options in case of high warning time, contained asteroid mass and small targeted deflection at Minimum Orbit Intersection Distance (MOID). On the other hand, it often requires the spacecraft (SC) to non-inertial hover close to the NEO, which can increase mission risk and reduce linear momentum transfer efficiency between NEO and SC. In the dissertation, the simultaneous use of gravitational and magnetic interactions between a NEO (i.e., target), with natural global magnetisation state, and a SC (i.e.,chaser), equipped with an onboard magnetic field generator subsystem, is investigated with the goal of improving the achieved deflection at MOID. The analysis is based on the GT model extended to include the free-free dipoles magnetic interaction under the far-field assumptions. It takes into account the chaser’s propulsive and power generation subsystems efficiencies, the target and chaser’s heliocentric motions and the target’s tumbling state. Furthermore, the target-chaser optimal relative configuration is analysed and a control law for the orientation of the chaser’s magnetic dipole is proposed, considering the limitations associated to its attitude and orbit control subsystems. Dynamics is formulated using relative motion models and is integrated numerically in MATLAB® and Simulink® environments. Two test cases based on a target with known estimated magnetic properties and a virtual target are presented, highlighting the conditions for which the gravitationalmagnetic tug technique can effectively increase the deflection performance compared to simply using GT, according to different metrics.

Gli asteroidi rappresentano una minaccia per il nostro pianeta, non solo per le conseguenze dirette di un loro possibile impatto, ma per gli effetti a lungo termine che questo produrrebbe sul clima. Per scongiurare un tale evento, sono state proposte numerose strategie che mirano a ridurre la probabilità di un impatto imminente, o a evitare il passaggio dell’asteroide in una zona di risonanza gravitazionale che porterebbe ad un impatto futuro. Le strategie esplorate adottano l’applicazione di una spinta ridotta sull’asteroide per un periodo di tempo prolungato, oppure optano per una violenta e rapida collisione con esso. Ad oggi, la tecnica del trattore gravitazionale risulta essere una delle opzioni migliori in caso di abbondante preavviso, massa dell’asteroide contenuta e ridotta deflessione valutata all’istante di minima distanza orbitale tra Terra e asteroide. Tuttavia, tale metodo, richiede spesso di mantenere un satellite nei pressi dell’asteroide in moto relativo non-inerziale e di operare a distanze ridotte; queste condizioni operative, oltre ad aumentare il rischio associato alla missione, riducono l’efficienza del trasferimento di momento lineare tra asteroide e satellite. Nella tesi viene proposto l’utilizzo simultaneo delle interazioni gravitazionali e magnetiche (i.e, trattore gravitazionale-magnetico) tra un asteroide, caratterizzato da uno stato di magnetizzazione globale naturale, e un satellite, dotato di un sistema in grado di generare un campo magnetico. L’obiettivo è valutare l’efficacia di tale cooperazione, misurare l’eventuale incremento in deflessione e stimare i requisiti che il satellite deve soddisfare per ottenerlo. L’analisi effettuata amplia il modello di trattore gravitazionale includendo l’interazione tra dipoli magnetici. Il modello proposto considera: l’efficienza dei sottosistemi del satellite adibiti alla generazione di spinta e alla generazione di energia di bordo, il moto eliocentrico dell’asteroide e del satellite e lo stato di rotazione dell’asteroide. Viene analizzata la configurazione ottimale che permette di massimizzare l’interazione tra satellite e asteroide, al fine di migliorarne la deflessione. Vengono inoltre proposte due strategie di controllo per il dipolo generato a bordo dal satellite, tenendo in considerazione le limitazioni associate al sottosistema di controllo d’assetto orbitale. La dinamica è formulata utilizzando modelli di moto relativo e integrata numericamente in Matlab® e Simulink®. Per valutare le condizioni in cui il trattore gravitazionale-magnetico può aumentare le prestazioni in termini di deflessione rispetto all’utilizzo del trattore gravitazionale, il modello sviluppato viene applicato un asteroide virtuale ed a uno reale, con proprietà magnetiche note.