A study on the mission design for Milani CubeSat to Apophis

The 2029 Earth flyby of asteroid Apophis provides a rare opportunity to study an asteroid under strong gravitational perturbations. This thesis presents a preliminary mission design for a Milani-like CubeSat operating near Apophis during the event. The flyby is expected to alter Apophis' rotation and surface, enabling insights into its internal structure. However, the CubeSat’s limited capabilities and the complex dynamics of the environment around Apophis pose significant mission design challenges. The mission requirements were defined using a Science Traceability Matrix, followed by the development of a numerical model of the dynamical environment, considering key perturbations such as solar radiation pressure (SRP) and Earth's gravitational effects during the close encounter. Different operational strategies—stable orbits, ballistic arcs, and hovering—were assessed through a trade-off analysis to determine the most suitable approaches for each phase of the mission. The analysis shows that the CubeSat's operational distance from Apophis is tightly constrained, adding complexity to trajectory design. SRP significantly affects stability, while Earth’s influence during the flyby induces rapid, unpredictable variations in the CubeSat’s motion. Viable operational strategies include loops of ballistic arcs and hovering in the Sun-Apophis frame, both of which optimize scientific observation time while maintaining mission safety. The research highlights how ballistic arcs, despite their unpredictability during the Earth flyby, provide flexible options for conducting science near Apophis.

Il flyby della Terra nel 2029 dell'asteroide Apophis offre un'opportunità rara per studiare un asteroide soggetto a forti perturbazioni gravitazionali. Questa tesi presenta un'analisi preliminare della missione di un CubeSat simile a Milani operante vicino ad Apophis durante l'evento. Si prevede che il flyby planetario altererà la rotazione e la superficie di Apophis, consentendo approfondimenti sulla sua struttura interna. Tuttavia, le capacità limitate del CubeSat e le complesse dinamiche dell'ambiente intorno ad Apophis rappresentano sfide significative nella progettazione della missione. I requisiti della missione sono stati definiti utilizzando una Matrice di Tracciabilità Scientifica, seguita dallo sviluppo di un modello numerico dell'ambiente dinamico, tenendo conto delle principali perturbazioni come la pressione di radiazione solare (SRP) e gli effetti gravitazionali della Terra durante il flyby ravvicinato. Diverse strategie operative—orbite stabili, archi balistici e hovering—sono state valutate attraverso un'analisi comparativa per determinare gli approcci più adatti per ciascuna fase della missione. L'analisi mostra che la distanza operativa del CubeSat da Apophis è strettamente vincolata, aumentando la complessità nella progettazione della traiettoria. La SRP influisce in modo significativo sulla stabilità, mentre l'influenza della Terra durante il flyby induce rapide e imprevedibili variazioni nel moto del CubeSat. Le strategie operative praticabili includono cicli di archi balistici e hovering nel sistema di riferimento Sole-Apophis, entrambe le quali ottimizzano il tempo di osservazione scientifica e garantiscono la sicurezza della missione. La ricerca evidenzia come gli archi balistici, nonostante la loro imprevedibilità durante il flyby della Terra, offrano opzioni flessibili per condurre osservazioni scientifiche vicino ad Apophis.