Exploration of Enceladus: a study on surface mapping strategies using flybys and low energy orbits

Nowadays, space exploration is focusing on the investigation of the moons of the Giant Planets, to achieve science objectives and to better understand our own planet. Previ- ous missions allowed to obtain important scientific discoveries, which showed presence of biosignatures on those moons. Now, the missions JUICE and Europa Clipper are on their path to Jupiter to reach its moons, and to investigate them. This work focuses on Enceladus, one of the ESA’s targets of the future space exploration. It is a small active Saturnian moon that hides an ocean under its icy crust. There are large plumes coming from the south polar region, formed by some ocean material which escapes through the ice, rich of organic chemical compounds. The scientific investigation can be performed through different strategies. This work aims to provide an analysis of the feasible tra- jectory options, to establish which approach is capable to meet the scientific objectives respecting eventual operational constraints. In particular, the objective is to perform the global mapping of Enceladus. The trajectory options considered are two: a close prox- imity trajectory based on low energy orbits, and a moon flybys strategy. Low energy trajectories, and, in particular Heteroclinic motions connected to the Lagrange points L1 and L2 of the system, can be designed in the Circular Restricted Three-Body Prob- lem (CRTBP) dynamic model, whose adoption is motivated by the reduced dimension of Enceladus and the strong gravitational influence of Saturn. The flyby strategy relies on orbits around Saturn defined from full resonant sequences, which are designed to perform an close approaches to Enceladus, thus allowing scientific activities. Trajectory design is an iterative practice that tries to maximize scientific return, yet complying to mission and operational constraints. The best option is the result of an optimization process that intends to trade off benefits and drawbacks of all possible strategies. The flyby tour achieves the best results, covering successfully the moon’s surface with a high reliability level from an operational point of view. The low energy trajectory also represents a good option to reach scientific objectives, but with more operational challenges.

Attualmente, l’esplorazione spaziale è proiettata allo studio delle lune dei Giganti Gas- sosi, per raggiungere obiettivi scientifici e per avere una comprensione migliore del nostro pianeta. Missioni precedenti hanno permesso di ottenere importanti scoperte scientifiche, che hanno mostrato la presenza di biomarcatori su tali lune. Ora, le missioni JUICE ed Europa Clipper si trovano nel loro percorso verso Giove, per raggiungere le sue lune e studiarle. Questo lavoro si concentra su Encelado, uno degli obiettivi di ESA per le fu- ture esplorazioni spaziali. E’ una piccola luna di Saturno attiva che racchiude un oceano all’interno del suo involucro ghiacciato. Ci sono grandi pennacchi che arrivano dalle re- gione polare meridionale, formati da materiale oceanico che fuoriesce dal ghiaccio, ricco di composti organici. L’indagine scientifica può essere condotta attraverso differenti strate- gie. Questo lavoro ha l’obiettivo di fornire un’analisi delle possibili traiettorie, per stabilire quale approccio permette di raggiungere gli obiettivi scientifici rispettando eventuali vin- coli operativi. In particolare, l’obiettivo è quello di ottenere una copertura globale della superficie di Encelado. Le alternative considerate sono due: una traiettoria in prossimità della luna basata su orbite a bassa energia, e una strategia basata su fionde gravitazionali. Le traiettorie a bassa energia , e, in particolare, moti eteroclinici che connettono i punti la- grangiani L1 e L2 del sistema, posso essere costruiti con il problema dei tre corpi circolare semplificato, la cui scelta è motivata dalle dimensioni ridotte di Encelado e dalla grande influenza gravitazionale di Saturno. La strategia basata su fionde gravitazionali sfrutta orbite attorno a Saturno definite da risonanze complete, che sono progettate per compiere passaggi ravvicinati a Encelado, permettendo così lo svolgimento di attività scientifiche. Il design di traiettoria è una procedura iterativa che cerca di massimizzare il ritorno scien- tifico, mantenedo la conformità con vincoli operativi e di missione. L’opzione migliore è il risultato di un processo di ottimizzazione che intende bilanciare aspetti positivi e negativi di ogni possibile strategia. Il tour a fionde gravitazionali raggiunge i migliori risultati, ottendo con successo la copertura della superficie della luna con un alto livello di affid- abilità dal punto di vista operativo. Anche a traiettoria a bassa energia rappresenta una buona opzione per raggiungere obiettivi scientifici, ma con più complicazioni operative.