Proximity trajectory design for a CubeSat around binary asteroid Didymos

The investigation of small bodies through proximity operations and landing is the future of the current space exploration. Achieving these goals with low-cost solutions as CubeSats can be the required boost to accelerate the European race for space. The present work is a step forward a more extensive use of CubeSats for deep space exploration. Through a characterization of the dynamical environment around Didymos, a Near Earth binary Asteroid, the thesis aims to find proximity trajectories around it for a CubeSat. Orbiting around asteroids can be challenging due to their irregular gravity field generated by their complex mass distribution. In the past, different gravity models have been used to design the gravity field around small bodies. Spherical harmonics and complex shape-based models have been investigated in this work with the aim of finding the best representation of the gravity field close to the asteroid. Additional complexity is given by the inherent non-Keplerian dynamics around a binary system which precludes any analytical solutions, a complex scenario in which mission designers have to work. However, non-Keperlian problems can offer advantageous trajectories precluded to a simple two body problem and for this reason they are one of the main current interests of the scientific community. This issue has been addressed in this thesis by working in a high fidelity model considering a generic restricted three body problem. After the characterization of the dynamical system, close trajectories have been designed and reproduced to obtain possible solutions for future observation strategies. From the results, some important information and features have been extrapolated as possible trajectories design strategies for future works.

Lo studio dei corpi minori attraverso operazioni di prossimità e tentativi di atterraggi è il futuro dell’attuale esplorazione spaziale. Raggiungere questi obbiettivi con soluzioni a basso costo come i CubeSats può essere la spinta necessaria per accelerare la corsa Europea allo spazio. Il seguente lavoro è un ulteriore passo verso un uso maggiore dei CubeSats per l’esplorazione dello spazio profondo. Attraverso una caratterizzazione dell’ambiente dinamico vicino Didymos, un asteroide binario orbitante vicino alla Terra, la presente tesi si prefissa di trovare traiettorie ad esso ravvicinate per un CubeSat. Orbitare attorno ad asteroidi può essere impegnativo a causa del loro campo gravitazionale irregolare generato dalla loro forma complessa. Diversi modelli sono stati usati in passato per descrivere il campo gravitazionale attorno ai corpi minori. L’uso di modelli con forme complesse e armoniche sferiche è stato considerato in questo lavoro allo scopo di trovare la migliore rappresentazione del campo gravitazionale prossimo all’asteroide. Ulteriore difficoltà è data dal problema non kepleriano attorno a un sistema binario che preclude l’esistenza di qualsiasi soluzione analitica, uno scenario complesso in cui gli ingegneri di volo devono lavorare. Tuttavia, problemi non kepleriani possono offrire traiettorie vantaggiose precluse a un semplice problema a due corpi e per questo sono uno degli interessi attuali della comunità scientifica. Al termine di una caratterizzazione del sistema dinamico, traiettorie di prossimità sono state progettate e simulate al fine di ottenere possibili soluzioni per future strategie di osservazione. Dai risultati, importanti informazioni e caratteristiche sono state estrapolate come possibili strategie di progettazione di traiettorie per lavori futuri.