Design and optimization of a landing strategy on Didymos for Milani CubeSat

The exploration of small celestial bodies, particularly asteroids, has gained increasing attention in recent years due to their significance in understanding Solar System evolution and their potential applications in planetary defense and space resource utilization. These bodies presents unique challenges for spacecraft operations, due to their weak gravitational fields, complex dynamical environments, and high levels of uncertainty. As part of the Hera mission led by ESA within the Asteroid Impact and Deflection Assessment (AIDA) collaboration, Milani CubeSat will conduct close-proximity operations around Didymos binary asteroid system. At the end of the scientific phase, it will attempt an experimental landing on one of the two asteroids. This thesis investigates the feasibility of a landing on Didymos, the primary body, assessing risks, maneuvering costs, and optimal strategies to ensure mission success. The study begins with the identification of a suitable landing site, considering surface characteristics, dynamical constraints, and scientific objectives. A direct landing strategy is then developed, consisting of two impulsive maneuvers: the first to transition into a descent arc and the second to reduce the touchdown velocity. To evaluate the robustness of the optimized trajectory, a Monte Carlo analysis is conducted, incorporating uncertainties in navigation, maneuver execution, and environmental conditions. The results confirm that a landing on Didymos is achievable, with the polar region emerging as the most advantageous site due to its higher return velocity, continuous illumination, and reduced risk of post-impact escape. While developed for Milani, this study provides a framework that can be applied to landing strategies on any small celestial body, offering valuable insights for future asteroid exploration missions.

L’esplorazione dei piccoli corpi celesti, in particolare degli asteroidi, ha suscitato un interesse crescente negli ultimi anni, sia per il loro ruolo nella comprensione dell’evoluzione del sistema solare, sia per le potenziali applicazioni nella difesa planetaria e nell’utilizzo delle risorse spaziali. L'esplorazione di questi corpi comporta numerose sfide a causa dei loro deboli campi gravitazionali, dell’ambiente dinamico complesso e dell’elevato grado di incertezza. Nell’ambito della missione Hera, controparte europea della collaborazione internazionale NASA-ESA nel progetto AIDA, il CubeSat Milani condurrà operazioni ravvicinate attorno al sistema binario Didymos. Al termine della fase scientifica, tenterà un atterraggio sperimentale su uno dei due asteroidi. Questa tesi analizza la fattibilità di un atterraggio su Didymos, il corpo principale del sistema, valutando i rischi, i costi di manovra e le strategie ottimali per garantirne il successo. Lo studio inizia con l’identificazione di un sito di atterraggio adeguato, analizzando le caratteristiche della superficie, dei vincoli dinamici e degli obiettivi scientifici. Successivamente, è sviluppata una strategia di atterraggio diretto, composta da due manovre impulsive: la prima per inserire il CubeSat in una traiettoria di discesa e la seconda per ridurre la velocità di impatto. Per valutare la robustezza della traiettoria ottimizzata, è condotta un’analisi Monte Carlo che considera incertezze legate alla navigazione, all’esecuzione delle manovre e alle condizioni dinamiche. I risultati confermano che l’atterraggio su Didymos è realizzabile. In particolare, la regione polare emerge come il sito più vantaggioso grazie alla maggiore velocità di ritorno, all’illuminazione continua e al minor rischio di fuga dopo l'impatto. Sebbene sviluppato per Milani, questo studio fornisce un quadro metodologico applicabile a strategie di atterraggio su qualsiasi piccolo corpo celeste, offrendo spunti per future missioni di esplorazione di asteroidi.