Exploiting multi-body dynamics for distributed spacecraft architecture optimal design : the cislunar services case

The Moon has gained a renewed interest in the last decades since it can be exploited as a departing vantage point for interplanetary missions, in particular towards Mars, and as a first establishment for the human presence in space. For these reasons, new possibilities for scientific and service applications in the cislunar environment arise, widening the infrastructures existing around the Earth. The work presented in this study aims at determining the performance of a set of orbital trajectories, dedicated to service providers, with respects to relevant space domains for the users. The performance is evaluated with a set of parameters associated to a particular service, which is enhanced by selecting the optimal trajectory or combination of trajectories. Multi-objective methods are employed, since they allow the trade-off between the Pareto front solutions with respects to the multiple parameters in study. In particular, the Multi-Objective Particle Swarm Optimization and the Branch & Bound techniques are investigated. This methodology is applied to different scenarios. The first one accounts for a telecommunication and navigation architecture dedicated to users placed in orbital trajectories bound to the Earth-Moon collinear points L1 and L2, Medium Earth Orbits, Low Lunar Orbits and on the lunar surface. The goal is to define the best combinations of servicer orbital positions with respects to each user domain and to propose a strategy to cluster these solutions to cover multiple regions. The second scenario considers a distributed telescope for the observation of deep space X-ray sources: the detector is placed on Moon’s far side and the mirror on a cislunar orbit, obtaining a focal length of the order of 10’000 kilometres. Here, the L2 Halo family is investigated. The last case is associated to space weather and Potentially Hazardous Objects and Near Earth Objects awareness in the EarthMoon space. In this case, families of L4 and L5 trajectories are considered due to their high stability properties which represent ideal regions for the gathering of asteroids and non cooperative bodies from the solar system.

La Luna ha ottenuto un rinnovato interesse negli ultimi decenni poiché può essere utilizzata come un punto di partenza per missioni interplanetarie, in particolare verso Marte, e come primo stabilimento per la presenza umana nello spazio. Per questi motivi, sono emerse nuove opportunità per applicazioni scientifiche e di servizio nell’ambiente cislunare, che permettono di ampliare le infrastrutture già esistenti sulla Terra. Il lavoro presentato in questa tesi si pone l’obiettivo di determinare la performance di un insieme di traiettorie orbitali, dedicate ai provider del servizio, rispetto a domini spaziali utente di interesse. Tale performance è valutata con un set di parametri associati al servizio in studio, la quale è massimizzata dalla combinazione ottimale di traiettorie. A questo fine, tecniche multi-obiettivo sono impiegate dato che permettono il confronto fra le soluzioni ottenute nel fronte di Pareto rispetto alla serie di parametri in studio. In particolare, il Multi-Objective Particle Swarm Optimization e algoritmi Branch & Bound sono considerati. Questa metodologia è applicata a diversi scenari. Il primo riguarda un sistema di telecomunicazioni e navigazione dedicato a utenti posizionati su traiettorie orbitali nelle zone dei punti Lagrangiani L1 e L2 del sistema Terra-Luna, su orbite terrestri medie, su orbite basse lunari o sulla superficie lunare. L’obiettivo è quello di definire le migliori combinazioni di orbite per provider di servizio rispetto a ogni dominio utente e proporre una strategia per identificare soluzioni utili a coprire molteplici regioni utente. Il secondo scenario considera un telescopio distribuito per l’osservazione di sorgenti a raggi X nello spazio profondo: il detector è posizionato sulla faccia nascosta della Luna e lo specchio su un’orbita cislunare, ottenendo una lunghezza focale dell’ordine dei 10’000 chilometri. In questo caso, la famiglia delle orbite L2 Halo è presa in considerazione. Infine, l’ultimo scenario è associato allo space weather e al monitoraggio di Potentially Hazardous Objects e Near Earth Objects nel sistema Terra-Luna. Qui, le famiglie orbitali nelle regioni dei punti L4 e L5 sono studiate le quali, data la loro elevata stabilità, rappresentano regioni ideali per l’accumulazione di asteroidi e oggetti non cooperativi dal sistema solare.