Mission analysis and landing strategy for HERA Cubesats

The European Space Agency’s HERA mission, set to launch in 2024, will target Dimorphos, the first human-redirected asteroid, secondary of the binary system called Didymos. HERA will perform a detailed post-impact survey of Dimorphos, aiming to turn the DART mission’s impact into a replicable planetary defense technique and demonstrating new technologies for asteroid navigation and low gravity operations. Carrying two 6U-XL CubeSats, Milani and Juventas, HERA will conduct significant scientific research and culminate with the CubeSats landing on Dimorphos. The French Space Agency (CNES) was granted their operational mission analysis. This report details a six-month internship at CNES focusing on the CubeSats’ landing phase. The presented work consists of designing and implementing strategies for descent trajectory of the CubeSats towards the surface of the asteroids. An indirect approach of the landing is adopted: the design exploits the particular dynamics of the targeted binary system to perform a soft indirect landing on the secondary, passing through a Lagrange point. An optimization procedure is then used to obtain efficient trajectories, starting from a stabilized orbit around the main asteroid, fulfilling the mission constraints and reaching the asteroid surface with low impact velocity. As a main result, an operational version of the designed main method is defined with a view to their application by CNES teams during the operational phases, in 2027. The developed method is then applied to design a potential landing of Milani and Juventas on Dimorphos. Finally, in response to the recent requests from scientists at international workshops on the HERA mission, a preliminary study is carried out to assess the feasibility of indirect landing for Juventas on the main asteroid, also called Didymos.

La missione HERA dell'Agenzia Spaziale Europea, il cui lancio è previsto per il 2024, avrà come obiettivo Dimorphos, il primo asteroide riorientato dall'uomo, secondario del sistema binario chiamato Didymos. HERA effettuerà un'indagine dettagliata post-impatto di Dimorphos, con l'obiettivo di trasformare l'impatto della missione DART in una tecnica di difesa planetaria replicabile e di dimostrare nuove tecnologie per la navigazione degli asteroidi e le operazioni a bassa gravità. Con due CubeSat 6U-XL, Milani e Juventas, HERA condurrà un'importante ricerca scientifica che culminerà con l'atterraggio dei CubeSat su Dimorphos. L'Agenzia spaziale francese (CNES) ha ottenuto l'analisi della missione operativa. Questa relazione illustra uno stage di sei mesi presso il CNES, incentrato sulla fase di atterraggio dei CubeSats. Il lavoro presentato consiste nel progettare e implementare strategie per la traiettoria di discesa dei CubeSat verso la superficie degli asteroidi. Viene adottato un approccio indiretto all'atterraggio: il progetto sfrutta la particolare dinamica del sistema binario bersaglio per effettuare un atterraggio indiretto morbido sul secondario, passando per un punto di Lagrange. Una procedura di ottimizzazione viene quindi utilizzata per ottenere traiettorie efficienti, a partire da un'orbita stabilizzata intorno all'asteroide principale, che soddisfino i vincoli della missione e raggiungano la superficie dell'asteroide con una bassa velocità di impatto. Come risultato principale, viene definita una versione operativa del metodo principale progettato, in vista della sua applicazione da parte dei team del CNES durante le fasi operative, nel 2027. Il metodo sviluppato viene poi applicato per progettare un potenziale atterraggio di Milani e Juventas su Dimorphos. Infine, in risposta alle recenti richieste degli scienziati ai workshop internazionali sulla missione HERA, viene effettuato uno studio preliminare per valutare la fattibilità di un atterraggio indiretto di Juventas sull'asteroide principale, chiamato anche Didymos.