Landing site selection for Rosetta lander Philae through a multidisciplinary approach

This document represents the Master in Science Thesis in Space Engineering of Giulio Pinzan from the Politecnico di Milano. The aim of the thesis is to formulate a model of the comet and an optimization strategy that permits to address the landing site selection of the Rosetta lander Philae on the comet 67P Churyumov-Gerasimenko. In this work, the main driver for the landing site selection is represented by the power produced by the solar arrays although rationales on the effects of the landing site on the thermal subsystem and other constraints are also discussed: the landing site selection aims to chose a site that guarantees the most efficient power generation during the Long Term Science phase of the mission, while respecting mission constraints.. A multidisciplinary approach is the key to obtain realistic results on the properties of a landing site, as long as application of constraints deriving from different aspects produce contrasting indications, thus landing site selection becomes a compromise choice between the optimum of the every single constraint. Results of this work permit to assess optimal Philae orientation on the comet surface for the entire mission, to evaluate the most suitable landing sites in terms of generated power and insolation. A preliminary analysis on the respect of thermal constraint is also discussed, as also the effects of variation of the comet spin axis orientation with respect to the nominal value. The most performing landing sites, that respect majority constraints, are located in groups situated in hills/humps of the Nothern Hemisphere.

Questo sommario descrive in breve il lavoro di Tesi di Laurea Magistrale in Ingegneria Spaziale di Giulio Pinzan, presso il Politecnico di Milano. Lo scopo della tesi è di formulare un modello della cometa e una strategia di ottimizzazione per permettere la selezione del sito di atterraggio del lander Philae della missione Rosetta, sulla superficie della cometa 67P Churyumov-Gerasimenko. La variabile di ottimizzazione principale in questo lavoro è rappresentata dalla potenza generata dai pannelli solari del lander, sono inoltre discussi gli effetti del sito di atterraggio sul sottosistema termico ed altri vincoli legati all’ambiente ed alla missione: la selezione del sito di atterraggio infatti è rivolta ad individuare i siti che permetto la più efficiente generazione di potenza, ma che permettano al contempo di rispettare tutti i vincoli di missione. La multidisciplinarità del problema è un approccio chiave per avere risultati realistici sulla bontà del sito di atterraggio selezionato, poiché l’applicazione di vincoli derivanti da aspetti diversi produce risultati discordanti e non intersecantisi, per cui la selezione del sito di atterraggio diviene una scelta di compromesso tra i vari punti di ottimo relativi ad ogni singolo vincolo. Il lancio della Missione Rosetta è avvenuto nel maggio 2004 e dopo circa 10 anni di trasferimento interplanetario, durante il quale verranno sfruttati i fly-bys di Terra, Marte, Terra Terra, la missione raggiungerà la cometa 67P Churyumov-Gerasimenko. La fase di avvicinamento è prevista nel maggio 2014 ad una distanza da Sole di circa 4UA. Nel settembre 2014, ad una distanza di 3.4UA, Rosetta verrà posta in un’orbita chiusa attorno alla cometa. Questa fase permetterà un’accurata determinazione delle caratteristiche cometarie, in particolare al fine della selezione del sito di atterraggio. La vita operativa della Missione Rosetta per lo studio della cometa 67P Churyumov-Gerasimenko inizia a 4UA, prosegue in tutta la fase di avvicinamento della cometa al perielio e termina nominalmente ad una distanza di 2UA dopo il passaggio al perielio. In data di completamento di questo lavoro di tesi, Rosetta si trova nell’ultima fase di trasferimento orbitale ed è in condizioni nominali di funzionamento in tutti i suoi sottosistemi. L’atterraggio del lander Philae è previsto per l’11 novembre 2014. Philae rappresenta il segmento di missione che permetterà di produrre misurazioni in-situ sulla composizione, sulle proprietà superficiali, sulla struttura a larga scala e sull’attività della cometa durante il suo approssimarsi al perielio. Il lander ha una massa di circa 100kg e costituisce un segmento di missione completamente indipendente dal punto di vista sottosistemistico: l’unica funzione di supporto che fornisce l’orbiter Rosetta è quella di permettere la trasmissione dei dati a Terra. Philae è costituito da un box poligonale, equipaggiato con un sistema di pannelli solari su tutte le superfici laterali e superiore, ad eccezione di una superficie laterale dove è collocato il payload. Philae è fornito di un carrello di atterraggio tripodale che permette contemporaneamente di assorbire l’urto all’atterraggio e di assicurare la stabilità e l’aggancio alla superficie cometaria per l’intera missione. Il sottosistema di potenza ha come fonte primaria batterie primarie non ricaricabili con capacità di 1000Wh all’atterraggio, mentre come fonte secondaria i pannelli solari dall’estensione di 2m2, permettono di ricaricare batterie dalla capacità di 130Wh all’atterraggio. Le celle solari di Philae, ed il suo sistema di pannelli solari in generale, sono stati progettati per condizioni di bassa intensità solare e bassa temperatura (LILT): queste sono infatti le condizioni che si verranno a trovare durante la missione. Il sottosistema termico è controllato attivamente da una serie di heaters, mentre lo scambio di calore è controllato passivamente da due assorbitori solari posti sulla faccia superiore e da delle coperte in MLI che garantiscono l’isolamento per tutto il resto della superficie del corpo principale del lander. Philae ha inoltre la capacità di ruotare il corpo principale rispetto al carrello di atterraggio di 360°, questa caratteristica permette di interagire con l’ambiente esterno in modo efficace ed inoltre di orientare efficientemente i pannelli solari. Relativamente alle fasi di missione del lander, la più critica è la fase di separazione dall’orbiter Rosetta, discesa ed atterraggio sulla cometa (SDL), a cui seguirà la fase di First Science Sequence che permetterà di utilizzare tutti gli strumenti scientifici a bordo almeno una volta. Entrambe queste fasi saranno assicurate dalle batterie primarie per una durata di circa 120 ore. In seguito è prevista una fase di Long Term Science della durata di 6 mesi, in cui verranno utilizzate le batterie secondarie ricaricate dai pannelli solari. L’interesse verso la cometa 67P è relativo al fatto che la sua determinazione orbitale ha permesso di ricostruire la sua provenienza essere la fascia di Kuiper, una fascia situata oltre Nettuno che conserva tracce primordiali della nebulosa che ha formato il Sistema Solare. La comprensione dell’origine della cometa, oltre che della sua formazione ed evoluzione, permetterà la miglior comprensione delle comete in generale, degli oggetti situati nella fascia di Kuiper e dell’origine del Sistema Solare. Infine si ritiene che le comete possano essere il vettore che ha trasportato la vita in luoghi diversi del Sistema Solare, quindi possibilmente anche sulla Terra; lo studio di 67P permetterà di approfondire anche questa teoria. La cometa 67P ha un diametro di circa 5km ed è costituita da ghiaccio e polvere. Le caratteristiche della cometa che interessano questo studio sono in particolare l’orbita, la forma, la direzione dell’asse di rotazione, la velocità di rotazione, la dinamica di rotazione, l’attività di sublimazione cometaria nel tempo, l’albedo, le condizioni di illuminazione presenti sulla superficie, le caratteristiche di composizione e resistenza della superficie. Tutti questi aspetti sono trattati estensivamente attraverso l’utilizzo di una bibliografia aggiornata e con riferimenti autorevoli, in particolar modo sono discusse le tecniche di osservazione, le metodologie utilizzate per la riduzione dei dati e l’indeterminazione dei parametri associata ai risultati di ogni studio. Il fine è quello di presentare una modellazione che sia la più realistica possibile, sia relativamente all’ambiente che ai sottosistemi di Philae, per poter permettere una corretta descrizione dello scenario operativo della missione. Dunque in breve le scelte di modellazione della cometa sono sviluppate come descritto in seguito. L’orbita è modellata attraverso l’uso dei parametri Kepleriani. La discretizzazione temporale prevede l’inizio di missione all’11 novembre 2014 e la durata è di 6 mesi terrestri, il tempo è discretizzato in frazioni di giorno cometario in modo da poter controllare direttamente l’accuratezza dei risultati. Il modello dinamico e di rotazione descrivono la cometa come un corpo in rotazione attorno al suo asse principale d’inerzia, con una velocità di rotazione costante di circa 12 ore ed un’inclinazione inerziale dell’asse di rotazione, orientato tale per cui il polo positivo di rotazione (il Polo Nord, definito dalla regola della mano destra) punta verso il semispazio negativo dell’orbita: la rotazione della cometa è retrograda. La forma della cometa è estremamente irregolare, sia latitudinalmente che longitudinalmente, ed è descritta attraverso una mesh triangolare, costituita da 512 superfici triangolari. Questa forma deriva dall’inversione delle curve di luce derivanti da osservazioni della cometa con l’utilizzo del telescopio Hubble. Si assume che i siti di atterraggio possibili siano i baricentri delle superfici triangolari, inoltre le proprietà calcolate per ogni triangolo sono valutate nel suo baricentro ed estese poi su tutta la sua superficie, ciò vale in particolare per: la direzione della normale, l’insolazione, la potenza prodotta dal lander. L’illuminazione sulla superficie della cometa è modellata come insolazione diretta da parte di una fonte puntiforme posta all’infinito, la frazione di luce riflessa dalla cometa viene trascurata poiché l’albedo è molto basso. E’ necessario invece modellare l’auto adombramento della cometa, la sua forma irregolare infatti presenta avvallamenti le cui condizioni di insolazione e capacità di potenza prodotta sarebbero sovrastimate se questo aspetto fosse trascurato. Per quel che riguarda invece la modellazione del lander Philae gli aspetti fondamentali sono la geometria, l’orientazione del lander, il sottosistema di potenza, il sottosistema termico. Il sottosistema di potenza è modellato attraverso il Solar Array Simulator sviluppato dal Politecnico di Milano, permette si stimare la potenza prodotta dal lander in ogni istante di tempo tenendo conto dell’orientazione del lander (e quindi dei singoli pannelli solari), degli effetti sull’efficienza dati dalla temperatura, delle condizioni di degradazione e della modalità di generazione di potenza (maximum peak power tracking). Il modello di cella e di pannello solare sono stati determinati sperimentalmente. Il sottosistema termico è invece modellato in modo preliminare, attraverso un modello a parametri concentrati a tempo variante, costituito da due nodi: gli assorbitori solari ed il compartimento interno del lander. Le assunzioni a riguardo portano i risultati relativi a questo modello ad essere considerabili solo come preliminari, in particolare viene modellato in modo approssimato lo scambio termico attraverso le coperte di MLI. La geometria del lander invece è ben nota. La modellazione di tutti gli aspetti sopra descritti consente lo sviluppo di un software Matlab che permette di simulare lo scenario di missione di Philae.Sono disponibili 5 tipi di analisi. La prima è atta a comprendere il movimento del Sole, visto da un sistema di riferimento locale associato ad ogni superficie triangolare. Permette di comprendere in modo accurato le condizioni esotiche di illuminazione che si vengono a creare per un corpo di forma irregolare, la cui direzione radiale ad ogni sito differisce tipicamente di decine di gradi rispetto alla normale alla superficie, che ruota in senso retrogrado ed ha inclinazione dell’asse di rotazione maggiore di quello terrestre per cui l’effetto di variazione stagionale risulta essere più marcato. Da quest’analisi è stato provato che nonostante la radiale locale differisca di diversi gradi rispetto alla normale locale, il Sole culmina sempre a Nord o a Sud in un’accezione molto simile a quella terrestre La seconda analisi permette di studiare l’insolazione e la generazione di potenza del lander per tutti i siti sulla superficie cometaria senza considerare effetti di auto adombramento della cometa. Quest’analisi permette di ottenere l’orientazione ottimale del lander in termini di generazione di potenza per ogni posizione sulla superficie della cometa e per ogni istante della missione. Le operazioni di orientazione del lander sono minime, in termini generali è necessario orientare l’asse di simmetria del lander verso la direzione di proiezione della culminazione del Sole sull’orizzonte, od in opposizione ad essa. In conclusione il numero di manovre di orientazione del lander necessarie per ottenere un’esposizione ottimale è al massimo due, per tutta la durata della missione. Questo risultato è di fondamentale importanza perché permette in modo semplice di ottenere l’orientazione ottimale del lander, inoltre le manovre e le operazioni necessarie a garantirlo sono minime e consentono una ridottissima richiesta di potenza. L’analisi è sviluppata senza auto adombramento, poiché diversamente non è più possibile risolvere il problema in modo semplificato, per cui risulta che l’orientazione per le superfici triangolari soggette ad auto adombramento è solo vicina alla condizione di ottimo. Questa approssimazione ha scarse conseguenze dato che i siti più favorevoli sulla cometa sono disposti su rilievi soggetti ad auto adombramento minimo. Il terzo tipo di analisi permette di studiare l’insolazione e la generazione di potenza del lander per tutti i siti sulla superficie considerando effetti di auto adombramento della cometa. I risultati disponibili sono sia globali per la missione che suddivisi in separatamente in 6 frazioni uguali della durata di missione. Questi risultati determinano le categorie di siti cometari che risultano avere migliori prestazioni. Ne sono state individuate tre, tutte situate su prominenze dell’emisfero Nord. La prima è costituita da siti che permettono la maggior generazione di potenza globalmente nella missione (superiore ai 9W medi), sono collocati in un ampio intervallo di latitudini, ma hanno inclinazione della normale molto simile e mostrano adombramento minimo. Questi siti tuttavia non hanno un’ottimale generazione di potenza ad inizio missione, inferiore a 5.11W, cioè la soglia minima di potenza necessaria per il Safe Mode del lander. Il fatto che siti dalle prestazioni simili siano caratterizzati da inclinazione della normale simile è un risultato generale: le caratteristiche di un sito sono legate all’orientazione della normale piuttosto che alla latitudine. La seconda categoria di siti è localizzata a latitudini molto elevate del Polo Nord, hanno generazione di potenza globalmente nella missione di 8.5W circa, mostrano la migliore regolarità di potenza per tutta la missione: in ogni giorno cometario permettono di produrre almeno 6.11W medi, ed hanno la miglior generazione di potenza ad inizio missione: 7.6W. Tuttavia la loro elevata latitudine potrebbe creare problematiche all’atterraggio. La terza ed ultima categoria generazione di potenza globalmente nella missione di 8.0W medi circa, in ogni giorno cometario permettono di produrre almeno 6.11W medi ed ad inizio missione ne producono circa 6.2W. I valori di insolazione per queste tre categorie permettono di asserire che l’attività cometaria e la conseguente erosione non dovrebbero essere vincolanti. La ragione alla base di ciò è che la condizione più favorevole per la generazione di potenza avviene per basse elevazioni del Sole sull’orizzonte, per cui l’insolazione non è elevata: 5 dei 6 pannelli solari sono disposti verticalmente rispetto alla superficie cometaria (supponendo la base del lander parallela alla superficie). La quarta simulazione presenta i risultati preliminari dell’andamento termico del lander, tutti i siti indicati dalla simulazione precedente permettono di giungere a fine missione senza restrizioni termiche. La quinta ed ultima analisi simula la variazione dell’asse di spin di ±10° in due direzioni angolari ortogonali. Si può notare che anche per piccole variazione della direzione dell’asse di spin gli effetti sulla produzione di potenza sono notevoli, soprattutto relativamente alla posizione dei siti più favorevoli. Quest’ultima analisi permette di mettere in particolare evidenza l’importanza di una corretta modellazione di tutti i parametri del problema per poter ottenere risultati realistici. Nella fase di approccio alla cometa sarà dunque necessario determinare attraverso osservazione diretta tutte le caratteristiche ambientali. Sarà inoltre necessario raffinare la modellazione dei sottosistemi del lander.