Solar sail trajectory optimization for near-earth asteroid exploration considering single-body and multiple-body missions

Solar System exploration has emerged as a primary focus in the space industry, with deep-space Cubesats standing out as a promising solution for studying asteroids within the Solar System. This thesis specifically addresses missions employing solar sail technology, with a particular emphasis on NASA's near-Earth asteroid Scout mission. The document aims to explore the attainable reachability of a miniaturized solar sail departing from Earth, engaging in both single-body and multiple-body missions to near-Earth asteroids. Drawing inspiration from previous research exploring similar questions using low-thrust propulsion, this thesis focuses on time-optimal missions to achieve reasonable transfer times. The thesis is developed within the framework of a two-body problem and utilizes an ideal solar sail propulsion model. The formulation relies on continuous guidance control, employing an indirect method derived from Euler-Lagrange variational equations and Pontryagin's Principle of Minimum. The algorithm, rooted in optimal control theory, facilitates the execution of missions involving the visitation of single or multiple target asteroids, incorporating flybys or rendezvous encounters. The motion characterization of these near-Earth asteroids is based on their real ephemeris. Beyond investigating reasonable reachability from Earth in the coming years, this thesis delves into the realm of multiple-body time-optimal missions. It scrutinizes the application of optimal control theory in such missions and explores potential combinations of transfer missions between a range of target asteroids.

L'esplorazione del Sistema Solare è risultata essere un obiettivo primario dell'industria spaziale, con i Cubesat per lo spazio profondo che si distinguono come una soluzione promettente per lo studio degli asteroidi all'interno del Sistema Solare. Questa tesi si occupa specificamente delle missioni che impiegano la tecnologia delle vele solari, con particolare attenzione alla missione esplorativa near-Earth asteroid della NASA. Il documento mira ad esplorare la raggiungibilità di una vela solare miniaturizzata che parta dalla Terra, impiegata in missioni sia a corpo singolo che a corpo multiplo verso asteroidi vicini alla Terra. Traendo ispirazione da precedenti ricerche che esploravano questioni simili utilizzando una propulsione a bassa spinta, questa tesi si concentra su missioni ottimali dal punto di vista temporale per raggiungere tempi di trasferimento ragionevoli. La tesi si sviluppa all'interno della stuttura di un problema a due corpi e utilizza un modello di propulsione a vela solare ideale. La formulazione si basa sul controllo continuo della guida, impiegando un metodo indiretto derivato dalle equazioni variazionali di Eulero-Lagrange e dal principio di minimo di Pontryagin. L'algoritmo, che affonda le sue radici nella teoria del controllo ottimale, facilita l'esecuzione delle missioni che prevedono la visita di singoli o molteplici asteroidi target, utilizzando flyby o incontri rendez-vous. La caratterizzazione del moto di questi asteroidi vicini alla Terra si basa sulle loro effemeridi reali. Oltre a studiare la ragionevole raggiungibilità dalla Terra nei prossimi anni, questa tesi si addentra nel regno delle missioni multi-corpo a tempo ottimale. Essa esamina l'applicazione della teoria del controllo ottimale in tali missioni ed esplora potenziali combinazioni di missioni di trasferimento tra una serie di asteroidi target.