Design of landing trajectories on small bodies with application to Milani CubeSat in Didymos binary asteroid

In recent years, the scientific interest in small bodies has grown enormously, as they preserve valuable data on the formation of the Solar System. Furthermore, the attention to the population of small bodies in the vicinity of Earth (Near-Earth objects) is also motivated by the risk that they pose due to a possible impact, as demonstrated by the numerous impact craters present on the planet and by the events recorded in the last century. In this context, the Asteroid Impact and Deflection Mission (AIDA) collaboration between NASA and ESA was developed, aiming at testing a method for deflecting small bodies - the kinetic impact - and studying its outcome. The mission will be directed toward Didymos binary asteroid, arriving there in 2022. Milani CubeSat will be a part of the collaboration, contributing to achieve AIDA's scientific and technological objectives. At the end of its mission, Milani will attempt to land on the moon of Didymos system. This Master Thesis is focused on the design of possible landing trajectories in a binary asteroid. The analysis is applied to Milani case study, but the proposed strategies are generic and can be used for any possible landing on binary asteroids. The dynamical environment of the problem is modeled using a circular restricted three-body problem, with the addition of perturbations due to the irregular gravities of the asteroids and the solar radiation pressure. Each component of the implemented model is validated, to ensure its reliability. For what concerns the landing trajectories, a two-maneuvers strategy is proposed, the last of which is a braking maneuver aimed at lowering the velocity at impact. The main parameter for the design of landing trajectories is the touchdown speed, while other parameters are chosen in order to fulfill specific mission requirements. A Monte Carlo analysis demonstrates how the proposed trajectories are robust even in presence of uncertainties and are effective in minimizing the possibility of post-landing escape.

Negli ultimi anni, l’interesse verso i corpi minori è cresciuto enormemente, in quanto essi preservano preziose informazioni scientifiche sulla formazione del Sistema Solare. Inoltre, l’attenzione verso la popolazione di corpi minori più vicina alla Terra è motivata dal rischio che questi pongono a causa di un possibile impatto, come è dimostrato dai numerosi crateri da impatto presenti sul pianeta e dagli eventi che sono stati registrati nell’ultimo secolo. In questo contesto nasce la collaborazione Asteroid Impact and Deflection Mission (AIDA) tra NASA ed ESA, che ha l’obiettivo di testare un metodo per deviare i corpi minori - l’impatto cinetico - e studiarne i risultati. La missione avrà inizio nel 2022 e sarà diretta verso l’asteroide binario Didymos. Alla collaborazione parteciperà anche il CubeSat Milani, che contribuirà agli obiettivi scientifici e tecnologici di AIDA e tenterà di atterrare sulla luna del sistema binario alla fine della missione. Questo lavoro di tesi si concentra sulla progettazione di possibili traiettorie di atterraggio in un sistema binario di asteroidi. L’analisi è applicata al caso di studio di Milani, ma le strategie proposte sono generiche e possono essere utilizzate per ogni possibile atterraggio su corpi minori. L’ambiente dinamico del problema è modellato utilizzando un problema dei tre corpi a cui si aggiungono le perturbazioni dovute alle gravità irregolari degli asteroidi e alla pressione della radiazione solare. Il modello implementato è validato in ogni suo componente per assicurarsi della sua affidabilità. Per le traiettorie di atterraggio, è proposta una strategia a due manovre che miri ad abbassare la velocità di impatto. Il parametro principale per il design di traiettorie è la velocità di impatto, mentre altri parametri sono scelti in modo da rispettare dei particolari requisiti di missione. Tramite una analisi Monte Carlo viene dimostrato come le traiettorie proposte siano robuste a fronte della presenza di incertezze e siano in grado di minimizzare la possibilità di fuga post-atterraggio.