Large space structures dynamics in a multibody gravitational environment

The ability to place large space structures in strategic points of the gravitational field of multi-body systems represents the future of space exploration. In the present thesis, a dynamical model of the circular restricted three body problem is developed to include the special features of these architectures: an extended mass distribution, a larger surface exposed to solar radiation, a higher level of flexibility. In particular, the analysis is restricted to the orbital plan of the two attractors along Lyapunov periodic orbits. Firstly, an accurate model is developed by the inclusion of the action exerted by the gravity gradient over the mass distribution. A novel and unexpected portrait of the dynamics appears, which offers several suggestions for a more effective design of large space structures intended for a multi-body gravitational scenario. Subsequently, the dominant environmental disturbance of the regions concerned, i.e. the solar radiation pressure, is incorporated in the formulation of motion. Then, it is demonstrated that the coupled dynamics can be mastered to advance smart mission strategies. The benefits of these solutions are clearly displayed without forgetting to verify their robustness with respect to design variables. In this context, an external critical disturbance is also identified and is addressed as secondary anomaly. Finally, the elastic dynamics of the structure are added to the equations of motion. Following a preliminary discussion of its effects in the multi-body problem, the analysis of the natural response suggests new chances to control and maneuver distributed architectures via geometry changes of the configuration itself.

Il futuro dell'esplorazione spaziale è legato alla capacità di collocare grandi strutture spaziali in punti strategici del campo gravitazionale in sistemi multi-corpo. In questa tesi viene sviluppato e studiato il modello dinamico del problema circolare ristretto dei tre corpi, includendo le peculiarità di queste architetture: estesa distribuzione di massa, grandi superfici esposte alla radiazione solare, maggior livello di flessibilità. In particolare, l'analisi è ristretta nel piano orbitale dei due attrattori, lungo le orbite di Lyapunov. Innanzitutto, si è sviluppato un accurato modello che includesse l'accoppiamento tra la meccanica orbitale e quella di assetto, attraverso l'azione del gradiente di gravità sulla distribuzione di massa. Ne compare un quadro nuovo e inatteso della dinamica, che offre svariati spunti per un più efficace progetto delle grandi strutture spaziali destinate ad uno scenario gravitazionale multi-corpo. Successivamente, la perturbazione ambientale dominante nelle regioni di interesse, ovvero la pressione di radiazione solare, è incorporata nella formulazione del moto. Si dimostra che è possibile ammaestrare la dinamica accoppiata per avanzare astute strategie di missione. I benefici di queste soluzioni sono chiaramente mostrati, senza tralasciare di verificarne la robustezza rispetto alle variabili di progetto. In questo contesto è stato anche identificato un disturbo esterno particolarmente critico, che sarà battezzato anomalia del secondario. Infine, anche la dinamica elastica della struttura è aggiunta alle equazioni di moto. Dopo un prima discussione degli effetti nell'ambito di un problema multi-corpo, l'analisi della dinamica naturale suggerisce nuove possibilità di controllo e manovra di architetture distribuite attraverso variazioni di geometria della configurazione stessa.