SmallSats Mars aerocapture optimal guidance with direct force control

Main developed aerocapture guidance control schemes suffer on correctly controlling the longitudinal and lateral channels (in and out of plane targets, respectively). While the most common Bank Angle Modulation suffers from a coupling between the two channels, as it only exerts a single control variable, Drag Modulation directly lacks the lateral control. As a result, the Direct Force Control approach arises to separate them, introducing two decoupled control variables, improving the manoeuvre performance capabilities. The control variables are not found to get saturated throughout the trajectory, which also leads to higher robustness against atmospheric uncertainty. However, this control strategy is relatively new, and studies on small satellite integration have yet to be conducted. Hence, its feasibility in applying to small Mars ride-share satellite missions for aeroshell capsule-like vehicles is studied, and an optimality-based NPC guidance scheme is developed. Expected advantages of the system will be confronted with the obtained results. Algorithm performance validation, sensitivity navigation uncertainty analysis, and Monte Carlo simulations will be conducted to verify the system's robustness, reliability, and performance. Aerocapture is found to provide a mission enabler technology, with the already-existing state-of-the-art performance when sized in comparison to the fully-propulsive capture. Lower target orbits are better suited for Direct Force Control applied to small satellite aeroshell-like vehicles. Finally, the critical points of the developed study identified technological bottlenecks, and future developments are suggested.

I principali schemi di guida e controllo per l’aerocattura hanno difficoltà nel controllo delle dinamiche longitudinali e laterali (rispettivamente nei target interni ed esteri al piano). Il più comune, il Bank Angle Modulation, soffre di un accoppiamento tra le due dinamiche in quanto esercita il controllo su una sola variabile, mentre il Drag Modulation manca direttamente del controllo laterale. L’approccio del Direct Force Control può essere usato per separare le due dinamiche, introducendo due variabili di controllo disaccoppiate. Le variabili di controllo non saturano lungo la traiettoria, il che porta ad una maggior robustezza nei confronti dell’incertezza dell’atmosfera. Questa strategia è però relativamente nuova, e studi sull'integrazione in piccoli satelliti devono ancora essere condotti. Perciò, la fattibilità di applicarla a missioni rideshare di small-satellites per Marte è studiata, e uno schema di guida NPC optimality-based è svilupato. I miglioramenti attesi sono confrontati con i risultati ottenuti. Inoltre sono eseguite analisi sulla sensibilità dell’incertezza di navigazione, valutazioni sulle prestazioni dell’algoritmo, simulazioni Monte Carlo, per verificare la robustezza, affidabilità, e prestazioni del sistema. L’aerocattura risulta essere una mission enabling technology, con prestazioni allo stato dell’arte se paragonate alla cattura completamente propulsiva. Le orbite di arrivo più basse risultano più adatte a un Direct Force Control applicato a piccoli satelliti di tipo aeroshell. Infine, i punti critici dello studio identificano i bottlenecks della tecnologia, e sono suggeriti i possibili futuri sviluppi.