Design of low-thrust trajectories for asteroid exploration with CubeSat

Given the recent success of space missions employing CubeSats, small satel- lites built with standardized components, these are extensively used in the field for increasingly difficult technological challenges. In this thesis, the case of exploration of an asteroid belonging to the so-called "Near-Earth Belt" is presented, that is, moving around the Sun with orbits not far from the terrestrial one. For the spacecraft under investigation, the maneuvers will be driven by a low thrust propulsion system, with high specific impulse. The satellite undertakes an interplanetary journey until it arrives in the vicin- ity of one of the possible candidates of the study and, once the target is reached, the CubeSat will enter the sphere of influence of the body, where the short-range operational phase begins, representing the core of the analy- sis conducted in the following pages. The maneuvering strategy at this stage will be developed as to allow the scientific operations of observation of the celestial body to be performed in the most efficient way. To do this, the surrounding conditions will be carefully modeled, in parallel with the devel- opment of other details of the mission. In the end, a thrust law capable of making the satellite travel the desired trajectory will be obtained, and, once the latter is available, subsequent analyses on the performance of scientific observation instruments will be carried out.

Dato il recente successo assicurato alle missioni spaziali tramite l’impiego di CubeSats, satelliti di piccole dimensioni costruiti con componenti standard- izzati, essi vengono utilizzati nell’ambito di sfide sempre più ardue a livello tecnologico. In questa tesi viene presentato il caso di esplorazione di un as- teroide facente parte della cosiddetta "Near-Earth Belt", ossia che si muove attorno al sole con orbite non distanti da quella terrestre, per il quale le manovre saranno generate da un sistema di propulsione a bassa spinta ed elevato impulso specifico. Il satellite compie un viaggio interplanetario fino a raggiungere lo spazio in prossimità di uno dei possibili candidati oggetto di studio e, una volta raggiunto l’obiettivo, il CubeSat entrerà nella sfera di influenza del corpo, dove inizia la fase operativa a corto raggio, la quale rappresenta il nucleo dell’analisi condotta nelle seguenti pagine. La strategia di manovra a questo stadio verrà sviluppata in modo tale da permettere che le operazioni scien- tifiche di osservazione del corpo celeste vengano condotte nel più efficiente dei modi. Per fare ciò, le condizioni dell’intorno verranno accuratamente model- late, parallelamente allo sviluppo di altri dettagli della missione. Alla fine, si otterrà una legge di spinta capace di far percorrere al satellite la traiettoria desiderata, e una volta disponibile quest’ultima, saranno condotte le analisi successive sulle prestazioni degli strumenti di osservazione scientifica.