Schema di due cubesat che consegnano componenti modulari al braccio robotico del veicolo target, in questo caso il James Webb. Credits: JWST/NASA, Bommena et al. 2025
Un team di ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale presso The Grainger College of Engineering dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign ha sviluppato una nuova metodologia che consente a più cubesat di operare in modo coordinato come veicoli di servizio durante missioni per l’assemblaggio, la manutenzione o la riparazione di telescopi spaziali.
La metodologia utilizza algoritmi avanzati di guida e controllo, che permettono a piccoli sciami di cubesat di trasportare componenti modulari e operare in prossimità di un veicolo di servizio senza compromettere la sicurezza della missione.
Si tratta di una soluzione innovativa, che mira a rendere le operazioni di manutenzione più efficienti e sicure, ottimizzando le traiettorie dei satelliti per ridurre il consumo di propellente e minimizzare i rischi di collisione.
La ricerca, condotta dallo studente di dottorato Ruthvik Bommena, ha sviluppato un algoritmo per ottimizzare le traiettorie di sciami di cubesat utilizzati in missioni di manutenzione e assemblaggio di telescopi spaziali.
Questo algoritmo è stato testato attraverso simulazioni in cui due, tre o quattro cubesat trasportavano componenti modulari tra un veicolo di servizio e un telescopio in riparazione. L’obiettivo era garantire operazioni sicure, minimizzando il consumo di propellente e assicurando che i cubesat mantenessero una distanza minima di sicurezza di almeno 5 metri l’uno dall’altro.
Una delle principali sfide affrontate è stata la gestione delle grandi distanze in gioco. Ad esempio, il James Webb Space Telescope si trova a circa 1.5 milioni di chilometri dalla Terra, nel punto Lagrangiano L2 del sistema Sole-Terra. Per affrontare questa complessità, i ricercatori hanno sviluppato un modello dinamico basato sul problema circolare ristretto dei tre corpi, con un sistema di riferimento centrato su L2. Questo approccio ha permesso di mitigare le difficoltà numeriche, adattando le unità di misura delle distanze per migliorare la precisione computazionale.
Per l’ottimizzazione delle traiettorie, il team ha utilizzato metodi di ottimizzazione indiretta, che garantiscono un utilizzo efficiente del carburante rispetto ai metodi diretti. Inoltre, sono stati integrati vincoli anti-collisione direttamente nella formulazione del controllo ottimale, evitando che i CubeSat si avvicinassero eccessivamente durante le manovre.
Tradizionalmente, questi vincoli aumentano la complessità computazionale perché richiedono di suddividere le traiettorie in più archi. Tuttavia, l’algoritmo sviluppato consente di calcolare percorsi ottimali in un unico passaggio, migliorando l’efficienza e riducendo i costi operativi.
Inoltre, nonostante l’applicazione principale di questo lavoro sia migliorare la sicurezza e l’efficienza nelle operazioni di manutenzione e assemblaggio in orbita, la metodologia sviluppata possiede una notevole versatilità. Può essere adattata per ottimizzare traiettorie in scenari diversi, anche al di fuori del contesto spaziale, laddove siano presenti vincoli simili.
L’abstract dello studio, pubblicato su The Journal of the Astronautical Sciences, è reperibile qui.
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