Feasibility of miniaturized solar sails for near earth asteroids exploration

Today, one of the primary objectives of space agencies is to reach asteroids in the Solar System to study their history, which could provide valuable insights into the formation of the Solar System. Additionally, continuously monitoring these celestial bodies is essential to prevent potential collisions with Earth. It is no coincidence that, in recent years, the concept of \ac{PHA} has gained increasing relevance in this field. Combining this interest with the use of an innovative technology like the solar sail has led to the research presented in this thesis. Specifically, this study explores the possibility of reaching \ac{NEA} using a miniaturized solar sail. The first part of the research, focused on interplanetary transfer, relies on \ac{GC} concepts such as the Euler-Lagrange equations and the \ac{PMP}, which are essential for finding time-optimal solutions. The results show that, through the application of numerical techniques such as variable normalization, costate initialization method, and numerical continuation, it is possible to solve a large number of problems in reduced computational times. This phase is followed by the search for a method to orbit the asteroid using only the solar sail. Among the various options, the one that provides the most reliable results is the use of \ac{SSTO}, which demonstrates prolonged stability over time. The integration of these two phases has ultimately led to the creation of an interface with broad applicability to various celestial bodies, solar sails, and mission constraints selected by the user.

Ad oggi, uno dei principali obiettivi delle agenzie spaziali, è quello di riuscire a raggiungere gli asteroidi del Sistema Solare per studiarne la storia, che potrebbe fornire informazioni preziose sulla nascita del Sistema Solare. Inoltre, monitorare costantemente questi corpi celesti è fondamentale per prevenire potenziali collisioni con la Terra. Non è un caso che, negli ultimi anni, il concetto di \ac{PHA} abbia acquisito sempre più rilevanza in questo ambito.Coniugando questo interesse con l’impiego di una tecnologia innovativa come la vela solare, nasce la ricerca presentata in questa tesi. In particolare, è stata investigata la possibilità di raggiungere i \ac{NEA} tramite l'uso di una vela solare miniaturizzata. La prima parte della ricerca, relativa al trasferimento interplanetario, si basa sull'utilizzo di concetti di \ac{GC} come le equazioni di Eulero-Lagrange e il \ac{PMP}, fondamentali per trovare soluzioni di tempo ottimale. I risultati mostrano che, grazie all'applicazione di tecniche numeriche come la normalizzazione delle variabili, un metodo di inizializzazione dei costati e la continuazione numerica, è possibile risolvere un numero così elevato di problemi in tempi computazionali ridotti. Questa fase è seguita dalla ricerca di un metodo per orbitare attorno all'asteroide utilizzando esclusivamente la vela solare. Tra le varie opzioni, quella che offre maggiori garanzie è l'uso delle \ac{SSTO}, che dimostrano una stabilità prolungata nel tempo. L'integrazione di queste due fasi ha infine portato alla creazione di un'interfaccia con ampia applicabilità a diversi corpi celesti, vele solari e vincoli di missione.