Extension of terminator orbits for solar sail applications around small bodies

This thesis presents an investigation into the design and control of novel orbits around asteroids employing solar sails. Based on previous studies, it is well known and well established that Sun Terminator Orbits (STOs) offer simple solutions and trajectories for solar sails; however, their flexibility in terms of observation and mission design is very limited. Resonant Terminator Orbits (RTOs) and Quasi Terminator Orbits (QTOs), previously studied for more conventional spacecrafts, exhibit enhanced surface coverage capabilities and offer a more versatile approach for orbit design, yet remain completely unexplored for solar sail propulsion. The objective of this work is to adapt RTOs and QTOs for solar sail operations near minor bodies. The work will start with the development of methods to find RTOs and QTOs by using solar sails with two different type of controls, one with fixed-orientation and one with variable-orientation. Then, the effects of a non-ideal solar sail will be studied. Finally, there will be a brief discussion on how to design and evaluate the mission benefits and limitations offered by these orbit families. The research presented in this thesis seeks to provide new orbital options for science driven and fuel-free asteroid missions. The results obtained are valuable for applications in planetary defense, in-situ resource utilization and scientific exploration, particularly for small-body missions where propulsion mass is a strict constraint.

Questa tesi presenta uno studio sulla progettazione e sul controllo di nuove orbite attorno agli asteroidi mediante vele solari. Sulla base di studi precedenti, è ben noto e consolidato che le Sun Terminator Orbits (STO) offrono soluzioni e traiettorie semplici per le vele solari; tuttavia, la loro flessibilità in termini di osservazione e progettazione della missione è molto limitata. Le Resonant Terminator Orbits (RTO) e le Quasi Terminator Orbits (QTO), già analizzate per veicoli spaziali più convenzionali, garantiscono una maggiore copertura della superficie e offrono un approccio più versatile alla progettazione orbitale, ma restano del tutto inesplorate per la propulsione a vela solare. L’obiettivo di questo lavoro è adattare le QTO e le RTO alle operazioni con vele solari in prossimità di corpi minori. Il lavoro inizia con lo sviluppo di metodi per individuare RTO e QTO utilizzando vele solari con due diversi tipi di controllo: uno a orientamento fisso e uno a orientamento variabile. Successivamente saranno studiati gli effetti di una vela solare non ideale. Infine, si discuterà brevemente come progettare e valutare i vantaggi e le limitazioni di missione offerti da queste famiglie orbitali. La ricerca presentata in questa tesi mira a fornire nuove opzioni orbitali per missioni scientifiche verso asteroidi senza l’uso di propellente. I risultati ottenuti sono di par ticolare interesse nel campo della difesa planetaria, dell’utilizzo in-situ delle risorse e dell’esplorazione scientifica, in particolare per missioni verso corpi minori in cui la massa destinata alla propulsione costituisce un vincolo critico.