Trajectory redesign of Rosetta leveraging lunar propellant

The interest in Solar System resources has seen significant growth in the last years. Extra-terrestrial resources represent an extremely valuable asset to expand our space exploration capabilities and are the next step to make humanity an interplanetary species. The first step to ensure a constant human presence beyond our planet relies on establishing an outpost on the Moon and exploiting its resources to become independent from Earth. Mining our natural satellite will enable us not only to sustain life and generate energy but also to boost our next expansion. At SnT Research Centre, the Luxembourg Space Agency is supporting a feasibility study to assess the benefit of on-orbit servicing exploiting lunar resources. The objective of the project is to develop the know-how of redesigning the successful missions of the past to fully profit from ISRU and transfer this knowledge to the new one. Among the former Rosetta, that had the objective of reaching and studying the comet 67P/Churyumov–Gerasimenko. The spacecraft arrived at the comet after a 10-year journey, during which it performed several planetary flybys. In this study, a redesign of the mission's trajectory is examined. The main purpose is to leverage OOS to reduce the mission cost and/or the time of flight. In the considered scenarios, a propellant depot is assumed to be positioned in an easily reachable orbit defined in the Earth-Sun and Earth-Moon circular restricted three-body problem. The depot infrastructure collects lunar resources and is ready to replenish with fuel a wide range of satellites. The redesign strategy consists of a cut-and-paste technique that aims to adapt the nominal trajectory to meet the new requirements and tries to save as much of the original orbit as needed. The main idea revolves around the idea of identifying a specific point of Rosetta's timeline, saving everything after that time, and designing everything that occurs before. In this paper, we present the design from the depot up to the first flyby. The problem is approached as a direct optimization to minimize is the total delta-v of the transfer. Preliminary results show that it is possible to rendezvous with the original trajectory of Rosetta despite a slightly larger delta-v cost. Nevertheless, the possibility to stop at the depot before initiating the interplanetary transfer allows to select a smaller launcher and reduce the mission cost. A comparison of the different depot's orbits is given.

L'interesse nelle risorse del Sistema Solare ha visto una crescita significante negli ultimi anni. Ciò è dovuto al fatto che esse sono un bene estremamente prezioso per l'espansione delle nostre capacità di esplorazione dello spazio, e rappresentano il primo passo per rendere l'umanità una specie interplanetaria. La Luna costituisce il punto di partenza per garantire una presenza umana costante al di fuori del nostro pianeta. Infatti, realizzare una base lunare ed un'infrastruttura di raccolta risorse permetterà di sfruttare al massimo tutti i materiali che si trovano sul nostro satellite; non solo per supportare la vita e generare energia, ma anche per dare uno slancio alle nostre espansioni future. Al centro di ricerca SnT, la Luxembourg Space Agency sta sostenendo uno studio di fattibilità per valutare il beneficio nell'offrire servizio in orbita sfruttando risorse lunari. Lo scopo del progetto è quello di mettere a punto il know-how per riprogettare missioni di successo del passato traendo il massimo profitto da ISRU, e di utilizzare la conoscenza acquisita nella realizzazione di nuove missioni. Questo studio considera il caso di Rosetta, il cui obiettivo fu raggiungere e studiare la cometa 67P/CG. La sonda arrivò alla cometa dopo un viaggio di 10 anni, durante i quali realizzò diversi flyby pianetari. La tesi va ad esaminare un redesign della traiettoria della missione nel tentativo di dimostrare come l'utilizzo di un servizio orbitale diminuisce i costi e/o il tempo di volo della missione originale. Negli scenari considerati, si assume che una stazione di carburante sia posizionata in un orbita definita nel problema dei tre corpi semplificato di Terra-Sole e di Terra-Luna. L'infrastruttura della stazione raccoglie risorse lunari ed è pronta a servire un'ampia gamma di satelliti. Il redesign consiste in una tecnica copia-incolla che punta ad adattare la traiettoria nominale ai nuovi vincoli del problema e che tenta di preservare il percorso originale per quanto possibile. L'idea di base è identificare un punto specifico della missione, salvare tutto ciò che succede dopo quel punto, e modellare tutto ciò che succede prima quel punto. In questa tesi viene presentato il design dalla stazione di rifornimento fino al primo flyby. Il problema viene approcciato come un'ottimizzazione diretta che minimizza il delta-v totale del trasferimento. I risultati preliminari mostrano che è possibile realizzare un rendezvous con la traiettoria originale, nonostante il costo in termini di delta-v sia più alto. Effettuare il rifornimento in orbita, tuttavia, permette di selezionare un lanciatore più piccolo e di ridurre i costi di missione di conseguenza. Nella ricerca vengono considerati diverse orbite per la stazione.