Ottimizzazione di traiettorie per missioni a flyby multipli con asteroidi Near-Earth = Trajectories optimization for multiple flybys missions with Near-Earth asteroids

A partire dalla fine degli anni '90 l'interesse verso gli asteroidi orbitanti nei pressi della Terra, conosciuti come Near-Earth Asteroids (NEAs), è cresciuto esponenzialmente, principalmente per il rischio di potenziali collisioni catastrofiche con il nostro pianeta. Negli ultimi anni, l'attenzione verso questi oggetti è cresciuta ancor di più, sia in un'ottica di studio della genesi del Sistema Solare, sia con l'obiettivo di realizzare un'economia spaziale basata anche sull'estrazione dei minerali contenuti in essi. Con l'obiettivo di visitarli, nasce la proposta ANIME: una sonda Cubesat 12U con una massa di 21 kg equipaggiata con propulsione ionica caratterizzata da bassa spinta ed elevato impulso specifico. La missione prevede un consumo massimo di propellente di 1.5 kg ed una durata massima di due anni, durante i quali avverranno due flyby intermedi con due diversi NEAs ed un rendezvous finale. Lo scopo di questa tesi è di cercare delle traiettorie alternative a quelle già trovate per venire incontro ad eventuali cambiamenti nella finestra di lancio della missione. Per conseguire ciò, si è fatto utilizzo di una tecnica conosciuta col nome di teoria del controllo ottimale, dove attraverso la definizione di equazioni aggiuntive da aggregare al sistema di equazioni differenziali che governano il problema è possibile minimizzare una funzione costo che rappresenta il parametro da ottimizzare, in questo caso la massa al termine della trasferta. Facendo uso di una lista di asteroidi che presentano un passaggio ravvicinato con la Terra nei prossimi anni, sono stati ricercati gli asteroidi ideali per il rendezvous, ovvero quelli che presentano una velocità relativa durante l'eventuale sorvolo di bassa entità. Dopo aver calcolato la traiettoria ottimale con essi, sono stati scelti altri due NEAs con cui compiere un flyby con l'obiettivo di consumare il minor quantitativo di propellente possibile. Complessivamente sono state trovate 15 soluzioni a tre incontri e una con solo due: esse presentano il rendezvous con gli asteroidi 2000 SG344 o 2012 TF79, il primo dei quali preferibile vista la dimensione maggiore, possedendo poi flyby con una lista molto diversificata di NEAs intermedi, alcuni numbered e altri unnumbered. Tra queste, la traiettoria Earth - 1997 NC1 - 2000 QK130 - 2012 TF79 è la più economica, con solamente 0.93 kg di propellente utilizzato e sorvoli con asteroidi di grandi dimensioni e velocità relative ai flyby di entità contenuta. Sono state poi trovate molte traiettorie con flyby con il Potentially Hazardous Object 2001 WN5, il quale nel 2028 realizzerà un passaggio molto ravvicinato con la Terra a soli 250 000 km. Alcune di esse, inoltre, vengono realizzate con consumi molto ridotti, sempre dell'ordine del kilogrammo. L'elaborato presenta quindi un possibile approccio ad un problema piuttosto complesso, mostrando che è possibile ottenere delle soluzioni efficaci. I risultati sono poi degni di nota in quanto, sebbene si tratti di un'analisi sotto alcuni aspetti piuttosto semplificata, si riesce a realizzare una missione di importanza scientifica considerevole ed accompagnata da consumi di propellente molto contenuti grazie all'utilizzo della propulsione ionica sopra citata, la quale permette di aumentare il carico utile sulla sonda.