Aerogel-based collection of ejecta material from asteroids from Libration point orbits : dynamics and capture design

Nowadays, the scientific interest concerning asteroids and their environmental features keeps growing. These bodies provide hints on the primordial Solar System and, not less important, they could represent a valuable source of metals, silicates and water. Several missions, such as Deep Impact (NASA), OSIRIS-REx (NASA), Hayabusa and Hayabusa2 (JAXA), in the past few years were aimed to improve and better identifying the main properties of these yet poorly known celestial bodies. Asteroids, in fact, grant also the possibility to conduct space exploration at reasonable costs, representing therefore the perfect targets for the next space achievements. Within this context, the goal of this work is to assess the feasibility of an in-orbit asteroid samples collection mission, applied in this scenario to the asteroid Ryugu. This will be of huge importance since not only it will prevent any complication related to landing maneuvers, but also it will avoid all the dead times present in a landing mission. According to the Circular Restricted Three-Body dynamics, which considers also the effects of solar radiation and asteroid aspherical potential, particles of different sizes ejecting from different longitudes and with different ejection angles are then classified according to their evolution, finally building a database. In doing this, bouncing behavior is investigated, applying, for each impact angle, restitution coefficients arising from the interpolation of previously available data, analysing the cases of rigid body model and point mass approximation for two different sites on the asteroid. Then, through Hill’s equations, trajectories around the second Libration Point L2 are studied, to understand the best possible solution for an orbiting spacecraft. Finally, an aerogel-based collection strategy, already used in Stardust-NExT (NASA), is here studied, initialising a preliminary design for such a collection mechanism.

Al giorno d'oggi, l'interesse scientifico per gli asteroidi e le loro caratteristiche ambientali continua a crescere. Si ritiene infatti che questi corpi forniscano importanti indizi sul Sistema Solare primordiale e, non meno importante, potrebbero rappresentare una preziosa fonte di metalli, silicati e acqua. Diverse missioni, come Deep Impact (NASA), OSIRIS-REx (NASA), Hayabusa e Hayabusa2 (JAXA), negli ultimi anni hanno portato avanti sforzi volti a identificare meglio le principali caratteristiche di questi corpi celesti ancora poco conosciuti. Gli asteroidi, infatti, garantiscono anche la possibilità di condurre esplorazioni spaziali a costi ragionevoli, rappresentando quindi i bersagli perfetti per le prossime conquiste spaziali. In questo contesto, l'obiettivo del lavoro proposto è quello di valutare la fattibilità di una missione di raccolta di campioni di asteroide rimanendo in orbita, studiando in questo caso l'asteroide Ryugu. Ciò potrebbe essere di grande importanza poiché non solo eviterebbe qualsiasi complicazione legata alle manovre di atterraggio, ma anche tutti i tempi morti presenti in una missione che lo preveda. Secondo la dinamica del Problema dei Tre Corpi Circolare Ristretto, e considerando anche gli effetti della radiazione solare e del potenziale asferico dell'asteroide, particelle di diverse dimensioni espulse da diverse longitudini e con diversi angoli di eiezione sono classificate in base al loro destino, costruendo infine un database. Nel fare ciò, viene indagato il meccanismo di rimbalzo, applicando, per ogni angolo di impatto con Ryugu, coefficienti di restituzione derivanti dall'interpolazione dei dati precedentemente disponibili, sia applicando il modello di corpo rigido sia quello di corpo puntiforme, per due diversi siti sull'asteroide. Quindi, attraverso le equazioni di Hill, vengono trovate e studiate le traiettorie attorno al secondo Punto di Librazione L2, indagando sulla migliore soluzione possibile per un satellite in orbita. Infine, viene studiata una strategia di raccolta basata sull'aerogel, già utilizzata in Stardust-NExT (NASA), inizializzando il design preliminare per tale sistema di raccolta.