Close-proximity trajectory design for Cubesat about small body exploiting low-thrust propulsion

In the last years, CubeSat platform has become widespread and their employment has been subjected to a wide expansion in deep-space application, substantially reducing the cost of high-gain scientific mission. The future trend is to further reduce the cost of the access to deep-space, with an improvement in CubeSat mission performances. This thesis work focuses on the design of a control algorithm, that will enable the S/C to autonomously operate in the vicinity of a Small Solar System Body, exploiting low-thrust electric propulsion. In order to prove the realistic applicability of the presented control strategy, it has been applied to a real mission: M-Argo. M-Argo is a future ESA mission, whose main goal will be to analyse the composition of a NEA (Near Earth Asteroid). To pursue the goal of the project, a characterization of the mission has been developed, combining the already available information with the ones coming from a preliminary mission design. This process enabled the possibility of drafting a list of requirements and constraints, that the proposed control strategy shall fulfil. The dynamical environment has been also investigated and modeled with a 6 DOF (Degree of Freedom) model, in order to account for the interaction between the rotational state of the S/C and its translational one. After the validation of the model, the control strategy has been generated with an iterative process trying to maximize the performance parameters and simultaneously reduce the costs of the mission. The trajectory control results are promising from both the fuel mass consumption and the scientific point of view, enabling the fulfilment of all the drafted requirements. Finally, sensitivity analyses have been carried out varying the S/C initial position and velocity to check the robustness of the algorithm.

Negli ultimi anni, l'utilizzo dei CubeSat è diventato diffuso e il loro impiego ha subito un'ampia espansione anche nelle applicazioni nello spazio profondo, riducendo sostanzialmente il costo delle missioni scientifiche ad alto potenziale. La tendenza futura è quella di ridurre ulteriormente i costi di accesso alle missioni scientifiche nello spazio profondo, con un miglioramento delle prestazioni dei CubeSat. Questo lavoro di tesi si concentra sulla progettazione di un algoritmo di controllo, che consentirà allo S/C di operare autonomamente in prossimità di un Piccolo Corpo del Sistema Solare, sfruttando un sistema propulsivo elettrico a bassa spinta. Al fine di dimostrare la reale applicabilità della strategia di controllo presentata, essa è stata applicata a una reale missione: M-Argo. M-Argo è una futura missione dell'ESA il cui obiettivo principale sarà quello di analizzare la composizione di un NEA (Near Earth Asteroid). Per perseguire l'obiettivo del progetto, la missione è stata caratterizzata, combinando le informazioni già disponibili con quelle provenienti da un disegno preliminare di missione. Questo processo ha permesso di stilare una lista di requisiti e vincoli, che la strategia di controllo proposta dovrà soddisfare. L'ambiente dinamico è stato studiato e modellato con un modello a 6 DOF (Gradi di Libertà), per tenere in considerazione l'interazione tra lo stato rotazionale dello S/C e quello traslazionale. Dopo la validazione del modello, la strategia di controllo è stata generata tramite un processo iterativo con l'obiettivo di massimizzare i parametri di prestazione e contemporaneamente ridurre i costi della missione. Il controllo della traiettoria è promettente sia dal punto di vista del consumo di carburante che dal punto di vista scientifico, ed è in grado di soddisfare tutti i requisiti previsti. Infine, sono state effettuate delle analisi di sensibilità variando posizione e velocità iniziali dello S/C per verificare la robustezza dell'algoritmo.