Application of phase-space maps to the disposal design of low lunar orbiters in a high-fidelity dynamical model

The renewed interest in lunar exploration is expected to significantly increase the number of spacecraft operating in the Earth-Moon (EM) system over the next decades. In particular, Low Lunar Orbits (LLOs) are of strategic importance for science, communication and surface mission support. However, the dynamical environment around the Moon is highly perturbed: the irregular mass distribution beneath the lunar crust and the gravitational influence of Earth and Sun induce complex orbital evolution and limited natural stability. As a consequence, End-of-Life (EoL) disposal strategies must be carefully designed to avoid long-lived debris and ensure sustainable access to the lunar environment. This Thesis investigates the short-term dynamical behavior of LLOs and develops fuel-efficient disposal strategies leading to controlled lunar impact. A high-fidelity propagator is implemented, accounting for the full lunar gravity field and third-body perturbations. Stability maps are constructed in relevant phase spaces to identify regions of short-term stable and unstable orbital evolution. These maps are then used to design EoL disposal maneuvers for representative test orbits, including the nominal trajectory of NASA’s Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO). Finally, an optimization process is developed to determine the minimum Delta-v maneuver required to achieve impact, highlighting the dependence of disposal cost on the orbital phase space at the maneuver epoch. Additionally, the lunar impact is checked to lie outside designated protected zones on the lunar surface, ensuring compliance with planetary protection and heritage preservation guidelines, which is an aspect of primary relevance in realistic mission design. The results demonstrate that exploiting intrinsic dynamical instabilities can significantly reduce the fuel consumption for EoL operations. These findings contribute to the development of sustainable mission planning for future missions in the LLO environment.

Il rinnovato interesse per l’esplorazione lunare porterà, nei prossimi decenni, a un significativo aumento del numero di satelliti operanti nel sistema Terra-Luna. In particolare, le Low Lunar Orbits (LLO) rivestono un ruolo strategico per l’osservazione scientifica, le comunicazioni e il supporto alle missioni di superficie. Tuttavia, l’ambiente dinamico attorno alla Luna è fortemente perturbato: l’irregolare distribuzione di massa sotto la crosta lunare e l’influenza gravitazionale della Terra e del Sole inducono un’evoluzione orbitale complessa e una marcata instabilità. Di conseguenza, le strategie di fine vita (EoL) devono essere progettate con cura per evitare la generazione di detriti e garantire la sostenibilità delle future operazioni in orbita lunare. In questo lavoro viene analizzato il comportamento dinamico a breve termine delle LLO e vengono sviluppate strategie di disposal a basso costo energetico che conducano a un impatto controllato sulla superficie. È stato implementato un propagatore ad alta fedeltà, in grado di modellare il campo gravitazionale lunare completo e le perturbazioni di terzo corpo. Sono state inoltre costruite mappe di stabilità in opportuni spazi delle fasi per identificare le regioni di evoluzione orbitale stabile e instabile. Queste mappe vengono successivamente sfruttate per progettare manovre impulsive di disposal su alcune orbite rappresentative, tra cui l’orbita nominale della sonda Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) della NASA. Infine, è stato sviluppato un processo di ottimizzazione per determinare il minimo Delta-v necessario a raggiungere l’impatto, evidenziando la forte dipendenza del costo della manovra dalla fase orbitale al momento dell’impulso. Inoltre, viene verificato che il punto di impatto ricada al di fuori delle regioni lunari protette, garantendo la conformità alle normative di protezione planetaria e salvaguardia del patrimonio scientifico e culturale, un aspetto essenziale in uno scenario realistico di mission analysis. I risultati dimostrano che sfruttare le instabilità dinamiche intrinseche dell’ambiente lunare consente una significativa riduzione del costo propulsivo delle operazioni di fine vita. Queste conclusioni contribuiscono allo sviluppo di una pianificazione sostenibile delle missioni future nel regime delle LLO.