Advanced solar sailing trajectory design and asteroid close-proximity operations

This thesis presents an investigation into advanced solar sailing trajectory design and asteroid close-proximity operations. Solar sails offer a propellant-free means of propulsion, enabling long-duration missions to asteroids, valuable targets for scientific study and potential resource extraction. However, the complex dynamics and limited controllability of solar sails present significant challenges in trajectory optimization, asteroid insertion, and orbital maintenance. This work addresses several critical aspects of these challenges. First, an approach to improve the speed and convergence of a shooting method for heliocentric trajectory design with an advanced sail model is presented and compared with existing techniques in the literature. Second, a new closed-loop control law is developed and evaluated for facilitating capture into an asteroid's gravity well, aiming to minimize the Jacobi constant while maximizing capture likelihood. Finally, new in-plane control laws were established in order to maintain stable bounded orbits close to an asteroid. The key contributions of this thesis include: explicit Jacobian implementation for faster heliocentric transfer with advanced sail model and constraints; justification and conditions for the simplification of costate equations on propellantless propulsion; a new insertion law based on Jacobi constant; finding attitude control laws that guarantee bounded orbits around asteroids; and finally relating these laws to the averaged orbital elements theory. The research presented in this thesis provides a solid foundation for future studies to make solar sails a viable solution for visiting and studying asteroids for long periods of time.

Questa tesi presenta un'indagine sulla progettazione avanzata di traiettorie a vela solare e sulle operazioni di prossimità agli asteroidi. Le vele solari offrono un mezzo di propulsione senza propellente, consentendo missioni di lunga durata verso gli asteroidi, obiettivi preziosi per lo studio scientifico e la potenziale estrazione di risorse. Tuttavia, le dinamiche complesse e la controllabilità limitata delle vele solari presentano sfide significative nell'ottimizzazione delle traiettorie, nell'inserimento in orbita attorno agli asteroidi e nel mantenimento orbitale. Questo lavoro affronta diversi aspetti critici di queste sfide. In primo luogo, viene presentato un metodo per migliorare la velocità e la convergenza di un metodo di ``shooting'' per la progettazione di traiettorie eliocentriche con un modello di vela avanzato e confrontato con le tecniche esistenti in letteratura. In secondo luogo, viene sviluppata e valutata una nuova legge di controllo a ciclo chiuso per facilitare la cattura nel pozzo gravitazionale di un asteroide, con l'obiettivo di minimizzare la costante di Jacobi massimizzando al contempo la probabilità di cattura. Infine, sono state stabilite nuove leggi di controllo in-plane per mantenere orbite stabili e limitate vicino a un asteroide. I contributi chiave di questa tesi includono: l'implementazione esplicita dello Jacobiano per un trasferimento eliocentrico più rapido con un modello di vela avanzato e vincoli; la giustificazione e le condizioni per la semplificazione delle equazioni costatali sulla propulsione senza propellente; una nuova legge di inserimento basata sulla costante di Jacobi; la ricerca di leggi di controllo dell'assetto che garantiscano orbite limitate attorno agli asteroidi; e infine la relazione di queste leggi con la teoria degli elementi orbitali mediati. La ricerca presentata in questa tesi fornisce una solida base per studi futuri volti a rendere le vele solari una soluzione valida per visitare e studiare gli asteroidi per lunghi periodi di tempo.