Automatic extension of Earth and Earth-Moon resonant flybys

Sequences of Earth resonant transfers represent a powerful tool in the trajectory design of interplanetary transfers, as they often allow to circumvent the constraints imposed by launch conditions. Over the years, numerous missions have exploited this technique, either to compensate the limitations imposed on launcher performance by escape declination, to reach the needed v∞ level for a transfer to a different body, or to open new launch date opportunities. Most recently, the launch of the European Space Agency’s JUICE mission introduced the possibility of exploiting a double flyby of both Earth and the Moon, increasing the v∞ magnitude of the spacecraft with respect to Earth at the cost of virtually no Δv expenditure. The focus of this dissertation is an approach to automatically identify promising Earth and Earth-Moon resonant sequences, that connect the Earth departure conditions of a given interplanetary transfer to the launcher capabilities. In the proposed work, Earth resonant sequences are designed considering both ballistic and v∞ leveraging transfers, and then optimised numerically. The combinatorial nature of resonance problems is exploited, and the search space is reduced from combinatorial-continuous to fully discrete, allowing to investigate all the feasible possibilities. Then, a preliminary design technique to formulate a Moon Earth gravity assist starting from an Earth flyby is outlined, and incorporated into the proposed algorithm. To assess the quality of the results, the tool is then tested using ESA’s JUICE as a case study, and is shown to be able to find with high fidelity the baseline and backup trajectories for the mission that were developed manually by ESOC’s Mission Analysis section.

Le sequenze di traiettorie risonanti intorno alla Terra rappresentano uno strumento potente per il design di trasferimenti interplanetari, in quanto spesso permettono di aggirare i limiti imposti dalle condizioni di lancio. Negli anni, numerose missioni hanno sfruttato questa tecnica, sia per sopperire alle limitazioni imposte sulle prestazioni del lanciatore dovute alla declinazione di fuga, che per raggiungere i livelli di v∞ necessari per un trasferimento verso un corpo diverso dalla Terra o per rendere disponibili nuove opprtunità di lancio. Recentemente, il lancio della missione JUICE dell’Agenzia Spaziale Europea ha introdotto la possibilità di effettuare una doppia fionda gravitazionale sia della Terra che della Luna, aumentando l’intensità della v∞ rispetto alla Terra, ad un costo teoricamente nullo in termini di Δv. Il focus di questa dissertazione è quindi di proporre un approccio che identifichi automaticamente sequenze risonanti promettenti che sfruttino la gravità sia della Terra che della Luna, e che possano riconciliare le condizioni di partenza per un trasferimento interplanetario con le capacità del lanciatore. Nel metodo proposto, le sequenze risonanti alla Terra sono generate considerando sia trasferimenti balistici che con v∞ leveraging, ed in seguito ottimizzate numericamente. Sfruttando la natura combinatoria dei problemi di risonanza, lo spazio delle soluzioni è ridotto da combinatorio-continuo a puramente discreto, permettendo di esplorare tutte le alternative. Successivamente, una tecnica per il design preliminare di una fionda gravitazionale Terra-Luna partendo da una alla sola Terra è presentata, ed inglobata nell’algortimo proposto. Per valutare la qualità dei risultati ottenuti, l’algoritmo suggerito viene testato usando la missione JUICE come caso di studio, mostrando come questi sia in grado di ritrovare, con ottima approssimazione, sia la traiettoria della missione che l’alternativa proposta come riserva sviluppate dalla sezione di Mission Analysis in ESOC