Trajectory Design for a Solar Sail Mercury Impactor

The present thesis aims at evaluating the advantages of solar sailing in a Mercury impact mission analysis. The objective consists in the creation of the largest possible crater in the polar regions of the planet, where there is evidence for the presence of ice. The concept of the mission plans that the study of the materials ejected from the crater is performed with means of the BepiColombo probe. The interplanetary transfer towards Mercury is first designed as a direct ballistic trajectory. An (almost) unpowered flyby at Venus is then introduced to slightly improve the results obtained. Eventually, the transfer is addressed from a solar sailing perspective. Due to the increased total time of flight and the poor practical heritage in the field, this latter option can hardly be accomplished within the lifetime of BepiColombo. However, the results of the study demonstrate in any case that this futuristic propulsion system can greatly enhance the performance of such a mission. Because solar sails are particularly effective close to the sun, they allow the spacecraft's inclination to be changed very effectively at small heliocentric distances, achieving perpendicular or even retrograde impact trajectories with respect to the planet's orbital plane. The low-thrust transfer is optimized with a combination of genetic algorithms and local searching methods. The results have been validated against one output produced by InTrance.

La presente tesi ha come scopo la valutazione dei vantaggi della navigazione solare in un'analisi di missione di impatto con Mercurio. L'obiettivo consiste nella creazione del cratere di maggior larghezza possibile nelle regioni polari del pianeta, dove vi è evidenza della presenza di ghiaccio. La missione prevede che lo studio dei materiali eiettati dal cratere sia svolto per mezzo della sonda BepiColombo. Il trasferimento interplanetario verso Mercurio è inizialmente progettato come traiettoria balistica. Un flyby (quasi) non alimentato di Venere è quindi introdotto per migliorare leggermente i risultati ottenuti. Infine, il trasferimento è studiato dal punto di vista della navigazione a vele solari. A causa dell'aumentato tempo di volo e della scarsa esperienza pratica nel settore, quest'ultima opzione potrà difficilmente essere realizzata durante la vita utile di BepiColombo. Tuttavia, i risultati dello studio dimostrano comunque che questo innovativo sistema propulsivo può migliorare grandemente la performance di una missione così concepita. Poiché le vele solari sono particolarmente efficaci in prossimità del sole, permettono di modificare l'inclinazione del satellite a ridotte distanze eliocentriche, ottenendo traiettorie di impatto perpendicolari o addirittura retrograde rispetto al piano orbitale del pianeta. Il trasferimento low-thrust è ottimizzato attraverso una combinazione di algoritmi genetici e metodi di ricerca locali. I risultati sono stati validati tramite confronto con una soluzione prodotta da InTrance.