Planetary defense and exploration mission design leveraging the Cislunar environment

In the next decade, the exploitation of the Cislunar environment for both manned and unmanned missions will open the space frontier for human exploration of the Moon, Mars and to the commercialization of several activities in space. In this context, Lunar Orbital Platform-Gateway (LOP-G) has been proposed as a potential hub for excursions to Mars and for activities in support of exploration and planetary defense. Then, the aim of this dissertation is to characterize possible escape mechanisms and corridors from the Cislunar space toward the Near-Earth Asteroids region, in order to assess the feasibility to exploit the Lunar Gateway as a departing outpost for planetary defense and exploration missions. The dynamical environment in such a region is rather complex and rich, and the trajectory design is non-trivial. For that reason, the need of a trajectory modeling framework is first identified and then a database-based method where a set of transfers can be used and sampled as needed depending on the assigned heliocentric transfer, is established. Therefore, the problem is split in two legs. First, families of trajectories escaping the Cislunar environment are characterized, to build-up the understanding of the available mechanisms. The same is applied also to a 9:2 NRHO which is the Libration Point Orbits (LPO) the Lunar Gateway will fly on, where different families of escapes have been found and characterized. These are then organized in a database, which is called internal leg. Here a further degree of complexity is introduced by the need to patch the escape trajectory belonging to the previous set with the heliocentric or external leg, preserving its epoch-dependence. Therefore a complex phasing problem is posed. Finally, a methodology to select the subset of escape trajectories that best match the departure conditions, depending on the epoch and the ΔV available is applied and shown to retrieve optimal results for the considered transfers. Moreover, the large number of entries and geometries in the database is shown. Once the method and the optimisation framework have been defined, relevant example cases are discussed to better highlight the approach flexibility in different scenarios.

Nel prossimo decennio, lo sfruttamento dell'ambiente cislunare per missioni con e senza equipaggio aprirà la frontiera spaziale per l'esplorazione umana della Luna e di Marte e per la commercializzazione di diverse attività nello spazio. In questo contesto, il Lunar Orbital Platform-Gateway (LOP-G) è stato proposto come potenziale hub di appoggio per missioni verso Marte e per attività di supporto all'esplorazione e alla difesa planetaria. Lo scopo di questa tesi è quindi quello di caratterizzare i possibili meccanismi e corridoi di fuga dallo spazio cislunare verso la regione degli asteroidi vicini alla Terra, al fine di valutare la fattibilità di sfruttare il Gateway lunare come avamposto di partenza per missioni di esplorazione e difesa planetaria. L'ambiente dinamico in tale regione è piuttosto complesso e ricco e la progettazione della traiettoria non è banale. Per questo motivo, viene dapprima identificata la necessità di un quadro di modellazione delle traiettorie e poi definito metodo basato su un database in cui un insieme di trasferimenti può essere utilizzato e campionato a seconda del trasferimento eliocentrico assegnato. Quindi, il problema è diviso in due parti. In primo luogo, vengono caratterizzate famiglie di traiettorie fuga in scenari semplificati. Poi, lo stesso approccio viene applicato a un NRHO 9:2, che è l'orbita su cui volerà il Lunar Gateway, dove sono state trovate e caratterizzate diverse famiglie di traiettorie di fuga. Queste sono poi organizzate in un database. In questo caso, un ulteriore grado di complessità è introdotto dalla necessità di collegare la traiettoria di fuga con un trasferimento eliocentrico, preservandone la dipendenza dall'epoca. Si pone quindi un complesso problema di phasing. Viene quindi applicata una metodologia per selezionare il sottoinsieme di traiettorie di fuga che meglio si adattano alle condizioni di partenza, in funzione dell'epoca e del ΔV disponibile, dimostrando di ottenere risultati ottimali per i trasferimenti considerati. Inoltre, viene mostrato l'elevato numero di voci e geometrie presenti nel database. Una volta definiti il metodo e il quadro di ottimizzazione, vengono discussi casi esemplificativi rilevanti per evidenziare meglio la flessibilità dell'approccio in diversi scenari.