Ottimizzazione di manovre di trasferimento orbitale a bassa spinta

La propulsione elettrica negli ultimi anni sta assumendo sempre più importanza per le missioni di satelliti sia commerciali che scientifici poiché permette di ridurre la massa di propellente necessaria rispetto all’uso dei convenzionali thrusters a propulsione chimica. I primi progetti relativi ai sistemi di propulsione elettrica per missioni spaziali risalgono agli anni ‘60, ma il loro utilizzo è stato limitato per molto tempo alle manovre di controllo di assetto dei satelliti; nell’ultimo decennio i propulsori a bassa spinta hanno finalmente trovato applicazione anche nel controllo orbitale, in particolare per la fase di de-orbiting (fine vita) di un satellite, per la riconfigurazione di una costellazione di satelliti, per compensazione del drag atmosferico o per la realizzazione di viaggi interplanetari in modo più efficiente. Il recupero del satellite Artemis, immesso in un’orbita più bassa di quella desiderata a causa di un malfunzionamento del lanciatore Ariane 5, è poi uno dei primi casi in cui il trasferimento orbitale è stato eseguito in gran parte dai motorini di assetto ad effetto Hall. Il rischio più grande della propulsione a bassa spinta applicata alle manovre orbitali è però quello di ottenere dei tempi di trasferimento orbitale troppo elevati rispetto alla vita operativa del satellite. L’accurata scelta del profilo di spinta diviene quindi condizione necessaria per poter efficacemente impiegare la propulsione elettrica a bordo dei satelliti, sfruttandone l’indubbio vantaggio in termini di massa e quello, in molti casi altrettanto importante, di una elevata accuratezza. L’obiettivo di questa tesi è proprio quello di identificare una efficiente tecnica di progetto delle manovre di trasferimento orbitale mediante l’utilizzo di propulsione elettrica, mostrandone la possibile applicazione ad orbite LEO, MEO e GEO. Lo strumento di analisi proposto è basato sulla combinazione fra un propagatore orbitale e un codice di ottimizzazione basato su un algoritmo genetico (GA). Tale algoritmo si ispira alle teorie evoluzionistiche di Darwin e riporta al suo interno i principali componenti che caratterizzano la genetica. A prima vista può sembrare che le scienze della vita e le scienze dell’ingegneria non abbiano grandi cose in comune. Ad una più attenta analisi, ci accorgiamo, però, che le due scienze sono strettamente collegate. Rimanendo in campo aeronautico basti pensare, come l’uomo, da sempre, abbia cercato di imitare il modo naturale di volare degli uccelli, per potersi librare nell’aria. In effetti la natura possiede intrinsecamente le caratteristiche di sensorialità e adattatività, che vengono cercate oggi in tutti i materiali intelligenti e nelle strutture artificiali o nelle reti neurologiche dell’elettronica e nelle reti neurali dell’informatica. Gli algoritmi genetici rappresentano una efficace applicazione dei risultati della genetica a una tecnica numerica di marcato interesse progettuale, fornendo un potente metodo di ottimizzazione per la ricerca globale. Il loro utilizzo in questo lavoro di tesi è stato suggerito dalla semplicità con cui essi permettono di schematizzare il problema e valutare una funzione obiettivo, senza trascurarne la facilità di implementazione in molti linguaggi di programmazione e la riadattabilità ad eventuali modifiche. Tuttavia, come dimostreremo nel corso di questo lavoro, per ottenere la convergenza della soluzione con tempi di calcolo non eccessivi, può risultare necessario adottare opportuni accorgimenti per ridurre il numero di variabili ottimizzate dalla combinazione propagatore/GA. Il capitolo 2 si occupa di introdurre il problema dell’ottimizzazione, presentando i diversi metodi di ricerca (locali e globali). Inoltre vengono illustrati gli algoritmi genetici descrivendone i principali operatori di selezione e di riproduzione che li caratterizzano. Nel capitolo 4 vengono presentati i risultati relativi al satellite COSMO-SkyMed per trasferimenti e correzioni orbitali in orbite LEO: dapprima l’approccio scelto viene verificato applicandolo alle correzioni di singoli parametri orbitali, e in seguito viene utilizzato per costruire una possibile strategia di immissione in orbita dal lanciatore VEGA. Le manovre vengono progettate individuando gli archi ottimi di accensione dei propulsori capaci di minimizzare il tempo di trasferimento.
Nel sesto capitolo viene analizzata la possibilità di mettere in orbita i satelliti della costellazione Galileo tramite il lanciatore VEGA. Nel dettaglio viene analizzato il trasferimento da un’orbita ellittica ad una circolare di media altezza (orbita operativa di Galileo) con l’utilizzo della propulsione elettrica.