Engineering ballistic capture for autonomous interplanetary spacecraft with limited onboard resources

Current deep-space missions heavily count on ground-based operations. Although reliable, ground slots will saturate soon, so hampering the current momentum in space exploration. EXTREMA is an ERC-funded project enabling self-driving spacecraft, challenging the current paradigm and aiming, among others, at autonomously engineering ballistic capture. This work presents at first a characterization of ballistic capture corridors, time-varying manifolds supporting capture that can be targeted far away from the planet. Then, an autonomous ballistic capture algorithm is discussed. The aim is to devise an algorithm suitable for interplanetary spacecraft with limited control authority and onboard resources. The algorithm is applied to synthesize corridors at Mars. It envisages a novel methodology to construct families of ballistic capture orbits and compute the backbone of capture sets. Families are obtained by solving a sequence of well-posed three-point boundary value problems. The backbone is derived by exploiting a method based on Lagrangian descriptors. The algorithm performance is assessed and its limitations are discussed.

Attualmente le missioni interplanetarie fanno pesantemente uso delle operazioni da terra. Sebbene affidabili, gli slot a terra verranno presto saturati, ostacolando l'attuale impulso dell'esplorazione spaziale. EXTREMA è un progetto finanziato dall'ERC che abilita veicoli spaziali a guida autonoma, sfidando il paradigma attuale e mirando, tra le altre cose, ad ingegnerizzare la cattura gravitazionale autonoma. Questo lavoro presenta dapprima una caratterizzazione dei corridoi di cattura gravitazionale, varietà tempo-varianti che supportano la cattura e che possono essere bersagliati lontano dal pianeta. Successivamente, viene discusso l'algoritmo di cattura gravitazionale autonoma. L'obiettivo è quello di concepire un algoritmo adatto a veicoli spaziali interplanetari con autorità a di controllo e risorse di bordo limitate. L'algoritmo viene applicato per sintetizzare corridoi di cattura a Marte ed implementa una metodologia innovativa per costruire famiglie di orbite di cattura gravitazionale e calcolare la struttura portante, denominata backbone, degli insiemi di cattura. Le famiglie di orbite sono ottenute risolvendo una sequenza di problemi al contorno a tre punti. La backbone viene ricavata sfruttando un metodo basato sui descrittori lagrangiani. Le prestazioni dell'algoritmo sono valutate ed i suoi limiti vengono discussi.