Ottimizzazione di traiettorie per fly-by multipli di asteroidi Near-Earth con veicoli spaziali a bassa spinta = Trajectories optimization for multiple flybys of Near-Earth Asteroids with low-thrust propulsion

Le missioni spaziali all’interno del sistema solare richiedono grandi quantit`a di propellente per essere svolte, ed ogni chilogrammo in pi`u sulla sonda aumenta in modo consistente il costo totale della missione. I processi di ottimizzazione delle traiettorie rappresentano una metodologia abilitante per risolvere il problema: `e possibile trovare delle leggi di controllo che permettono di svolgere diverse missioni, come la proposta NEST di ESA, con consumi estremamente bassi. La missione analizzata ha un altissimo valore scientifico, in quanto permette l’osservazione di diversi oggetti del sistema solare che contengono informazioni fondamentali sui processi di formazione dello stesso e dei sui pianeti. Essa consiste in quattro flyby effettuati con quattro diversi asteroidi near-earth in meno di 3 anni. La partenza `e fissata per la fine del 2027 e la fine della missione per la met`a del 2030. Il veicolo selezionato ha una massa iniziale di 850kg e utilizza una propulsione di tipo elettrostatico, con un alto valore di impulso specifico e bassa spinta. Gli asteroidi candidati per i flyby passano tutti a meno di 18 milioni di chilometri dalla Terra almeno una volta nella finestra temporale considerata. Le possibili sequenze di flyby sono state ottimizzate seguendo un approccio numerico basato su metodi indiretti e tecniche di shooting, il processo si `e concluso trovando 328 traiettorie a quattro flyby, oltre che 1378 traiettorie a tre flyby, 1542 traiettorie a due flyby e 105 traiettoria a un flyby, tutte con un consumo di propellente minore di 25kg. I risultati hanno permesso di caratterizzare statisticamente le traiettorie in base ai punti e i tempi degli incontri, definendo alcune condizioni necessarie per consumare poco propellente. La traiettoria a pi`u basso costo utilizza 11.6kg di propellente, ha una durata di 2.9 anni e la velocit`a relativa massima di 12.74km/s, essa inoltre effettua un flyby con il Potentially Hazardous Asteroid denominato 2001 WN5, che `e caratterizzato da un diametro di 936 metri e che passer`a a meno di 250000km dalla Terra nel 2028. I risultati permettono anche di caratterizzare le traiettorie a pi`u bassa velocit`a relativa in base ai parametri orbitali degli asteroidi considerati, lo studio ha portato alla scoperta di traiettorie con velocit`a relative massime di meno di 7km/s e consumo di 13.5kg di propellente. Il fine ultimo della tesi consiste nel dimostrare la fattibilit`a di missioni nello spazio near-earth, in particolare di effettuare osservazioni ravvicinate di diversi asteroidi di piccola e media taglia ad un consumo complessivo di propellente estremamente limitato e in un tempo molto breve.