Optimization of multi impulse earth moon transfers in high fidelity models

The Artemis program is just the beginning of a new era of lunar exploration, wherein mankind will not only be engaged in discovering new frontiers but also exploiting the resources from space. Within this framework, improving lunar transfer trajectories is a fundamental measure towards achieving more economical and efficient missions. Particularly, the aim of this thesis is to minimize the fuel consumption of Earth–Moon transfer trajectories in high-fidelity models, by means of a semi-analytical approach. In the first part of the thesis, the possibility of reducing the fuel cost of two-impulse Earth–Moon transfers in a four-body model is addressed. Primer Vector theory is applied to identify which trajectories could benefit from the introduction of an additional intermediate impulse. Then, three-impulse transfers are computed with a direct numerical optimization method. Despite the majority of the trajectories being improved by a negligible amount, the cost of the transfers characterized by an initial gravity assist at the Moon is reduced by tens of m/s placing a corrective maneuver after the lunar encounter. The second part of the thesis deals with the problem of continuing multi-impulse Earth–Moon transfers from a four-body model to a complete ephemeris-based model of the solar system, written in a rotopulsating frame. The innovative algorithm presented, based on a direct transcription and multiple shooting strategy, successfully transform in the real solar system different families of Earth–Moon trajectories. In particular, the focus is on ballistic low-energy Earth–Moon transfers, due to their numerous advantages. The methodology described is suitable for generating nominal trajectories for real missions starting from solutions obtained with simplified, but still meaningful, astrodynamical models.

Il programma Artemis è solo l’inizio di una nuova era di esplorazione in cui l’umanità non solo si impegnerà a scoprire nuove frontiere, ma anche a sfruttare le risorse dello spazio. Di conseguenza, migliorare le traiettorie di trasferimento lunare è un passo fondamentale per la realizzazione di missioni spaziali sempre più economiche ed efficienti. In particolare, l’obiettivo di questa tesi è minimizzare il consumo di carburante di traiettorie lunari in modelli astrodinamici ad alta fedeltà, utilizzando un approccio semi-analitico. Nella prima parte, si discute la possibilità di ridurre il consumo di carburante per trasferimenti Terra-Luna a due impulsi in un modello a quattro corpi. La teoria del Vettore Primo viene applicata per identificare quali traiettorie potrebbero beneficiare dell’introduzione di un ulteriore impulso. Successivamente, i trasferimenti a tre impulsi sono calcolati con un metodo di ottimizzazione numerica diretta. Nonostante la maggior parte delle traiettorie siano migliorate di un fattore trascurabile, il costo dei trasferimenti che sfruttano l’effetto fionda gravitazionale della Luna, è ridotto di decine di m/s inserendo una manovra correttiva successiva al sorvolo lunare. La seconda parte della tesi affronta il problema della continuazione di trasferimenti lunari multi-impulso da un modello a quattro corpi ad uno completo del sistema solare, descritto dalle effemeridi in un sistema di riferimento rotopulsante. L’algoritmo presentato, basato su una strategia di trascrizione diretta e di shooting multiplo, adatta con successo diverse famiglie di traiettorie Terra–Luna nel sistema solare. In particolare, l’attenzione è posta sui trasferimenti balistici a bassa energia, dotati di numerosi vantaggi. La procedura descritta è atta a generare traiettorie nominali di missioni reali partendo da soluzioni ottenute in modelli astrodinamici semplificati, ma comunque significativi.