Formation flying dynamics in circular restricted three body problem and applications to binary asteroid systems

The employment of two or more co-operating spacecraft to achieve complex mission objectives is one of the most challenging problems in space mission design and the interest in new mission concepts which employ formation of satellites is growing. From the mission design point of view, relative position and velocity requirements are then becoming very important and the need of minimizing the control action needed for formationkeeping is the goal of many recent studies and analysis. The minimization of the formationkeeping control action can be effectively accomplished by exploiting the dynamical properties of a low-acceleration environment such as the vicinity of libration points associated to the Circular Restricted Three Body Problem. The present work represent a step towards the comprehension and the understanding of a topic, which is still young and unexplored in the scientific community, as the relative dynamics associated to the Circular Restricted Three-Body Problem environment. In particular, the effects of the dynamical environment on an uncontrolled equilateral formation of satellites are investigated and the initial configuration, in terms of orientation and size of the formation, which leads to the best performance in terms of formationkeeping, is identified. The dynamical environment is then explored, when some constraints are imposed on the relative dynamics of two co-operating spacecraft and the regions in the space which satisfy the dynamical constraints are found. Finally, the results and the design tools developed for the relative dynamics analysis, are applied to investigate possible scenarios for future space missions aimed to the exploration of a Near-Earth binary asteroid system: the dynamical model of the gravitational field generated by the asteroid pair is built and some particular scenarios are simulated.

L'impiego di due o più veicoli spaziali co-operanti verso il raggiungimento di obiettivi di missione complessi, è uno dei problemi più stimolanti per quanto riguarda la progettazione di missioni spaziali. In particolar modo, l'interesse verso l'analisi della dinamica relativa di satelliti in formazione è in costante crescita all'interno della comunit à scienti ca. I vincoli dinamici di posizione e velocit à relativa stanno diventando quindi molto importanti dal punto di vista progettuale, da qui la necessit à di ridurre al minimo l'azione di controllo necessaria al mantenimento della formazione. La minimizzazione dell'azione di controllo per il mantenimento della formazione pu ò essere effi cacemente realizzata sfruttando le propriet à dinamiche di un ambiente dinamico a bassa accelerazione, quale quello in prossimit à dei punti lagrangiani associati al Problema Circolare Ristretto dei Tre Corpi. Il lavoro di tesi qui presentato, rappresenta un passo avanti verso la comprensione di un argomento, ancora fertile ed inesplorato, come la dinamica relativa associata al Problema Circolare Ristretto dei Tre Corpi. In particolare, sono indagati gli e ffetti dell'ambiente dinamico su una formazione di satelliti triangolare, non controllata e la con figurazione iniziale, in termini di orientamento e dimensioni della formazione, che garantisce le migliori prestazioni in termini di mantenimento della formazione, è identifi cata. L'ambiente dinamico viene poi esplorato, considerando alcuni vincoli imposti alla dinamica relativa tra due veicoli spaziali co-operanti: le regioni dello spazio che soddisfano i vincoli dinamici sono identifi cate. Infi ne, i risultati e gli strumenti di progettazione sviluppati per l'analisi della dinamica relativa, sono applicati al fi ne di studiare possibili scenari per future missioni spaziali destinate all'esplorazione di sistemi di asteroidi binari: viene costruito il modello dinamico del campo gravitazionale generato dalla coppia di asteroidi e vengono simulati possibili scenari di missione.