Mars aerocapture: modeling and on-board guidance

The steady cadence of Mars missions in the past and their probable increase in the future open opportunities to investigate new ways of saving propellant to insert in Martian orbits. Aerocapture is a well-known, yet never applied, concept which is based on the exploitation of a single passage inside the atmosphere of a planet while on an approach orbit to be captured in a closed orbit. As the manoeuvre is risky and depends on the local atmospheric conditions, guidance algorithms have been developed in the past for an on-board usage, an advantageous approach allowing the usage of local measurements during the flight. Most of these algorithms lie in the category of Numerical Predictor Correctors and rely on a numerical propagation at each guidance call. Moreover, most of them concern lifting spacecrafts with the possibility of orienting their lift force. A relatively new approach to aerocapture is the use of a single event ballistic coefficient switch, exploiting a spacecraft having two ballistic configurations, defined by the presence of a large drag skirt that is jettisoned. This work is focused on adapting the predictor-corrector approach to this single event control type and to develop a novel analytical approach to the prediction step. A modified algorithm structure is also proposed, by substituting the correction step with a simple trigger activated by the prediction step alone. Simulations are performed taking into account the accurate atmospheric model provided by the Mars Climate Database and a Monte Carlo campaign is performed. The results show that the novel analytical approach obtains very similar results to the numerical counterparts and both the formulations appear robust to perturbations and measurement noise. The advantage of the analytical formulation is rooted in the removal of a computationally heavy propagation step, while maintaining the same level of performance and robustness.

La cadenza costante delle missioni su Marte in passato e il loro probabile aumento in futuro aprono la possibilità di studiare nuovi modi per risparmiare propellente nell'inserimento in orbite marziane. L'aerocattura è un concetto ben noto, ma mai applicato, che si basa sullo sfruttamento di un singolo passaggio all'interno dell'atmosfera di un pianeta durante un'orbita di avvicinamento per essere catturato in un'orbita chiusa. Poiché la manovra è rischiosa e dipende dalle condizioni atmosferiche locali, in passato sono stati sviluppati algoritmi di guida da utilizzare a bordo, un approccio vantaggioso che consente di utilizzare le misure locali durante il volo. La maggior parte di questi algoritmi rientra nella categoria dei Predittori-Correttori Numerici e si basa su una propagazione numerica a ogni utilizzo dell'algoritmo di guida. Inoltre, la maggior parte di essi riguarda veicoli spaziali con la possibilità di orientare la loro portanza aerodinamica. Un approccio relativamente nuovo all'aerocattura è l'uso di un singolo evento di commutazione del coefficiente balistico, sfruttando un veicolo spaziale con due configurazioni balistiche, definite dalla presenza di uno scudo dalla grande superficie che viene sganciato. Questo lavoro si concentra sull'adattamento dell'approccio predittore-correttore a questo tipo di controllo a evento singolo e sullo sviluppo di un nuovo approccio analitico alla fase di predizione. Viene inoltre proposta una struttura modificata dell'algoritmo, sostituendo la fase di correzione con un semplice trigger attivato dalla sola fase di previsione. Le simulazioni sono state effettuate tenendo conto dell'accurato modello atmosferico fornito dal Mars Climate Database ed è stata eseguita una campagna di simulazioni Monte Carlo. I risultati mostrano che il nuovo approccio analitico ottiene risultati molto simili alle controparti numeriche ed entrambe le formulazioni appaiono robuste alle perturbazioni e al rumore di misura. Il vantaggio della formulazione analitica risiede nell'eliminazione di una fase di propagazione pesante dal punto di vista computazionale, mantenendo lo stesso livello di prestazioni e robustezza.