Mission analysis tools : gravity losses minimization and radiation dose estimation

This work is focused on the development of a software for the analysis of the gravity losses due to a finite manoeuvre and of another software for the estimation of the radiation dose received from a spacecraft. This software are based on two very different aspects of the trajectory design for a space mission but both have their importance for the success of the mission. The software on the gravity losses optimizes different type of manoeuvres (capture from interplanetary hyperbola, apocentre/pericentre altitude change and escape from parking orbit) with multiple thrust law options (tangential, fixed direction and constant turn rate). The objective of the optimization is to minimize the fuel consumption during the manoeuvre with the constraint on the final orbit geometry to be satisfied. The gravity losses of the finite manoeuvre are calculated with respect to the corresponding impulsive manoeuvre. The possibility to take into account the perturbations during the propagation of the thrust arc was also implemented. Other options such as change of argument of pericentre and multiple burn strategy are available in the software. For the radiation dose software the space environment in Earth's and Jupiter's orbit was considered. The software calculates the radiation dose received from a spacecraft in its trajectory starting from the position vector and the time history. The first step is the calculation of the magnetic field strength at the spacecraft coordinates; than the high energy trapped protons, trapped electrons and solar protons integral and differential fluxes for an energy spectrum are determined using the available models; finally the differential fluxes are used as an input to estimate the radiation dose on a silicon detector at the centre of an aluminium sphere of variable thickness. The two software was validated by comparison with the results of models currently used for the design of a space mission form the staff of the Mission Analysis Section of the European Space Operation Centre (ESOC) of the European Space Agency. Some of the application of the two software was used on the manoeuvres of the EJSM-Laplace mission towards Jupiter.

Questo lavoro è incentrato sullo sviluppo di un software per l'analisi delle perdite gravitazionali dovute ad una manovra finita e di un altro software per la stima della dose di radiazioni ricevuta da un veicolo spaziale. Questi software sono basati su due aspetti molto diversi del progetto della traiettoria per una missione spaziale ma entrambi hanno la loro importanza per il successo della missione. Il programma sulle perdite gravitazionali ottimizza diversi tipi di manovre (cattura da un'iperbole interplanetaria, cambio dell'altezza di apocentro/pericentro e uscita da un'orbita di parcheggio) con più opzioni per la scelta della legge di spinta (tangenziale, direzione fissa e velocità di rotazione costante). L'obiettivo dell'ottimizzazione è di minimizzare il consumo di propellente durante la manovra rispettando il vincolo sulla geometria dell'orbita finale. Le perdite gravitazionali della manovra finita sono calcolate rispetto alla corrispondente manovra impulsiva. Anche la possibilità di considerare le perturbazioni durante la propagazione dell'arco propulso è stata implementata. Nel software sono disponibili anche altre opzioni come il cambio di argomento di pericentro e la strategia di multiple manovre. Per il software sulla dose di radiazioni è stato considerato l'ambiente delle orbite attorno Terra e Giove. Il software calcola la dose di radiazioni ricevuta dal veicolo spaziale durante la sua traiettoria a partire dal vettore posizione e dalla sua storia temporale. Il primo passo è il calcolo dell'intensità del campo magnetico alle coordinate del satellite; poi, usando i modelli disponibili, sono determinati, per uno spettro di energie, i flussi integrali e differenziali di protoni, elettroni e protoni solari ad alte energie intrappolati nella magnetosfera; infine i flussi differenziali sono utilizzati come ingresso per la stima della dose di radiazioni su un rilevatore di silicio posto al centro di una sfera di alluminio di dimensione variabile. I due software sono stati validati confrontandoli con i risultati dei modelli attualmente utilizzati per il progetto di missioni spaziali dal personale della Sezione di Analisi di Missione dello European Space Operation Centre (ESOC) della European Space Agency. Alcune delle applicazioni dei due software sono state usate sulle manovre della missione EJSM-Laplace verso Giove.