Space trajectory optimization with solar electric propulsion models

One of the most challenging and interesting problems in space mission design is the low-thrust space trajectory optimization. Nevertheless, it can often result very difficult as it involves the solution of a two-point boundary value problem at least, characterized by a set of non-linear coupled differential equations. This problem can be faced according to different techniques. The most simple approach relies on the procedure of direct transcriptions and the use of the resulting direct methods. Until nowadays, the main drawback of the trajectory optimization has been the lack of coupling of trajectory, propulsion, and power system. The focus of this thesis is to bridge this gap, providing a robust algorithm capable of optimizing space trajectories in time-optimal problems and in fuel-optimal problems, taking into account mathematical models of solar electric propulsion systems in the trajectory design process.

Uno dei problemi più impegnativi ed interessanti nella progettazione di missioni spaziali è l'ottimizzazione di traiettorie a bassa spinta. Tuttavia, spesso può risultare molto difficile in quanto comporta almeno la soluzione di un problema al contorno, caratterizzato da un insieme di equazioni differenziali non lineari accoppiate. Questo problema può essere affrontato secondo tecniche diverse, ma le più semplici adottano le procedure di trascrizione diretta ed utilizzano i risultanti metodi diretti. Fino al giorno d'oggi il principale svantaggio dell'ottimizzazione di traiettorie è stata la mancanza di considerare contemporaneamente la traiettoria, il sistema propulsivo ed il sistema di generazione di potenza nella fase di progettazione. L'obiettivo di questa tesi è di colmare questa lacuna, fornendo un algoritmo robusto in grado di ottimizzare le traiettorie spaziali in problemi tempo-ottimali e di minimizzazione di propellente e di integrare nello stesso tempo le informazioni derivanti dai modelli di propulsione elettrica solare.