Il corso intende fornire agli allievi gli strumenti per comprendere i principali problemi della meccanica del volo spaziale. Ampia parte del corso è dedicata ai fondamenti dell'astrodinamica, con cenni alla meccanica celeste e con particolare attenzione al problema dei due corpi. Verranno inoltre fornite le nozioni di base per il progetto di missioni interplanetarie, con cenni a tutte le fasi della missione come lancio, messa in orbita, cambio di traiettoria, rientro a terra o cattura. Infine verranno trattati i problemi fondamentali legati alla dinamica del volo del satellite inteso come corpo rigido. Verranno svolte esercitazioni pratiche sul calcolo dei parametri orbitali, sulla stima delle perturbazioni orbitali, sul progetto di manovre per la modifica dei parametri orbitali, sul progetto delle manovre lunari e interplanetarie.
This course develops the mathematical, physical, and computational foundations of space-flight mechanics. It begins with the two-body problem and progresses through orbit propagation, three-dimensional orbital geometry, mission-orbit design, preliminary orbit determination, orbital maneuvers, rendezvous, interplanetary and lunar trajectories, and perturbed orbital motion.
The course connects analytical derivations with physical interpretation, numerical implementation, and mission-design decisions. Particular attention is given to modelling assumptions, reference frames, the selection of an appropriate fidelity level, and the validation of analytical and numerical results.
Ci si aspetta che gli studenti acquisiscano conoscenze teoriche e pratiche sui problemi trattati con particolare attenzione ai risvolti ingegneristici della materia. Gli studenti dovrebbero inoltre acquisire la capacità di simulare missioni storiche utilizzando strumenti di progettazione normalmente utilizzati in ambiente industriale (Matlab, Simulink)
By the end of the course, students should be able to:
- derive and apply the principal equations governing Keplerian and perturbed orbital motion;
- move consistently between equations, reference frames, state vectors, classical orbital elements, and orbital geometry;
- formulate and solve orbit-propagation, transfer, targeting, rendezvous, orbit determination, and perturbation problems;
- implement representative astrodynamics algorithms and critically interpret their numerical results;
- select a model of appropriate fidelity and identify the assumptions and limitations of the adopted approximation;
- validate results using units, invariants, geometry, sensitivity analysis, and independent estimates;
- compare trajectory and operational alternatives through quantitative engineering trade-offs.
E’ richiesto che gli studenti abbiano dimestichezza al calcolo matriciale, algebra lineare e calcolo differenziale e che abbiano inoltre nozioni di base di meccanica razionale.
Students are expected to be familiar with undergraduate-level classical mechanics, vector calculus, linear algebra, ordinary differential equations, and basic numerical methods. Familiarity with a scientific programming environment, preferably MATLAB, is useful for the numerical laboratory.
No previous specialist course in astrodynamics is required. The mathematical and computational tools specific to orbital mechanics are introduced and developed during the course.
Elementi di meccanica celeste:
• introduzione al sistema solare
• leggi di Keplero, leggi di Newton, legge di gravitazione universale
• cenno al problema degli n corpi, problema dei due corpi, equazioni del moto relativo
• caratteristiche del campo gravitazionale: conservazione dell'energia meccanica e del momento della quantità di moto, velocità ed accelerazioni
• equazione della traiettoria, equazione polare della sezione di conica, similarità tra l'equazione della traiettoria e l'equazione della conica: geometria delle coniche
• legame tra energia e momento della quantità di moto e la geometria dell'orbita, problema tempo, velocità cosmiche.
Sistemi di riferimento:
• sistema eliocentrico
• sistema geocentrico
• parametri orbitali
• sfera celeste: sistema di ascensione retta-declinazione
• determinazione dei parametri orbitali a partire da r e v
• sistema perifocale
• cambio del sistema di riferimento
• traccia dell'orbita a terra e cono di visibilità
Satelliti artificiali:
• orbite geostazionarie, eliosincrone e molnya
• perturbazioni e correzioni orbitali
• manovre obitali nel piano
• manovre orbitali fuori dal piano
Traiettorie lunari:
• Il problema dei tre corpi ristretto, punti di librazione e superficie di Hill
Traiettorie interplanetarie:
• approssimazione patch-conics: fase eliocentrica, finestra di lancio, arrivo al pianeta target con cattura e flyby
1. The two-body problem: reduction from the n-body problem to relative motion; angular momentum, energy, and eccentricity-vector integrals; orbit equation; conic classification; vis-viva equation; apsides; period; escape conditions; hyperbolic excess velocity; flight-path angle; radial and transverse velocity components.
2. Position as a function of time: true, eccentric, hyperbolic, and mean anomalies; Kepler's equation and its numerical solution; elliptic, parabolic, and hyperbolic time of flight; Barker's equation; universal variables; Stumpff functions; Lagrange coefficients.
3. Orbits in three dimensions: perifocal, inertial, Earth-fixed, and local reference frames; classical orbital elements; conversion between state vectors and orbital elements; rotation matrices; singular element cases; sub-satellite point, latitude, longitude, and ground tracks.
4. Mission-orbit design: ground tracks, access, coverage, and revisit; Sun-synchronous and repeat-ground-track orbits; coupled orbit selection; LEO, MEO, GEO/GSO, HEO, frozen, Molniya, and Tundra orbits; station keeping and disposal; launch inclination, launch azimuth, plane timing, and the benefit of Earth's rotation.
5. Preliminary orbit determination: observation geometry, time tags, and sidereal time; topocentric measurements; azimuth and elevation; right ascension and declination; Gibbs method; Lambert's problem; Gauss angles-only orbit determination; differential correction; weighted least squares; covariance, residuals, and solution validation.
6. Orbital maneuvers: impulsive-maneuver model; rocket equation; changes in energy and angular momentum; apse changes; Hohmann, bi-elliptic, bitangential, and non-Hohmann transfers; rotation of the line of apsides; phasing and chase maneuvers; plane changes; combined speed and plane changes; interpretation of finite burns and low-thrust maneuvers.
7. Relative motion and rendezvous: target-centred LVLH geometry; exact rotating-frame relative dynamics; linearization; Hill-Clohessy-Wiltshire equations; closed-form solution and state-transition structure; natural relative motion; bounded relative orbits; two-impulse rendezvous; approach corridors and model limitations.
8. Interplanetary trajectories: patched-conic approximation; heliocentric transfers; launch windows, synodic periods, and phase angles; spheres of influence; planetary departure and arrival hyperbolae; C3; gravity assists; Lambert targeting; pork-chop plots; multiple-gravity-assist design.
9. Lunar trajectories: Hohmann baseline and faster Earth-Moon transfers; lunar phase and patch-point transformations; lunar arrival and orbit insertion; free-return trajectories; three-dimensional targeting; B-plane targeting; Earth-Moon circular restricted three-body problem; synodic equations and scaling; Lagrange points; Jacobi constant; manifolds; shooting methods.
10. Orbital perturbations: Cowell and Encke propagation; osculating orbital elements; variation of parameters; Gauss variational equations; orbital averaging; short-period and secular effects; geopotential and J2; atmospheric drag; third-body gravity; solar-radiation pressure and eclipses; perturbation signatures in the orbital elements; small-impulse element changes; finite state updates; force-model selection.
E’ sicuramente utile, se non indispensabile, seguire con continuità lezioni ed esercitazioni, nonostante siano disponibili autorevoli testi didattici di supporto.
The course includes six analytical problem sheets, worked examples, two mission-design capstones, and one numerical laboratory. These activities are provided to deepen understanding and develop independent problem-solving skills; they are not individually marked.
Students are strongly encouraged to attempt each problem before consulting the worked solution or reference code and to use discrepancies as a way to diagnose assumptions, equations, reference frames, units, and numerical procedures.
The exact week-by-week sequence may be adjusted according to the progress of the class. Activities are introduced after the required theoretical material has been covered. All material provided in lectures, worked examples, problem sheets, capstones, and the numerical laboratory is part of the course and may be assessed in the final examination.
La materia, visto il suo aspetto pratico ed applicativo, si presta allo svolgimento di esercizi per ciascuno degli argomenti trattati. Le esercitazioni occuperanno quindi poco meno della metà del tempo di didattica frontale.
Its teaching material is organized into:
- 10 lecture units covering theory, derivations, modeling assumptions, physical interpretation, design methods, and worked examples;
- 6 problem sheets for analytical practice and reasoning;
- 2 capstones integrating several topics into realistic mission-design case studies;
- 1 numerical laboratory covering implementation, propagation, targeting, validation, and interpretation of computational results;
Testi di riferimento:
• Roger R. Bate, Donald D. Mueller, Jerry E. White, Fundamental of Astrodynamics, Dover Publications, Inc. New York, 1971
• Marshall H. Kaplan, Modern Spacecraft Dynamics & Control, John Wiley & Sons, 1976
• J.W. Cornelisse H.F.R. Schoyer & K.F. Wakker, Rocket Propulsion and Spaceflight Dynamics B. Pitman Publishing Ltd
The lecture notes and all materials provided throughout the course are complete and sufficient for learning the subject and preparing for the examination. No textbook is required.
Suggested optional reference: Howard D. Curtis, Orbital Mechanics for Engineering Students.
Slides; Esercizi; Esercizi risolti; Esercitazioni di laboratorio; Esercitazioni di laboratorio risolte;
Lecture slides; Exercises; Exercise with solutions ; Lab exercises; Lab exercises with solutions;
Modalita di esame: Prova scritta (in aula);
Exam: Written test;
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La valutazione si baserà su una prova scritta che consiste in una domanda aperta, a cui seguirà un tradizionale esame orale durante il quale verranno poste al candidato due domande per le quali può essere richiesto anche lo svolgimento di brevi calcoli. La discussione della procedura di svolgimento delle esercitazioni contribuiscono alla valutazione finale.
Le valutazioni sono espresse in trentesimi e l’esame è superato se la votazione riportata è di almeno 18/30. La valutazione viene fatta considerando a) la correttezza delle risposte, b) la pertinenza delle informazioni fornite, c) la capacità di rispondere in modo chiaro, preciso e razionale, motivando adeguatamente le argomentazioni prodotte. Essendo un corso specialistico di fine percorso, verranno valutate le conoscenze acquisite a livello ingegneristico nonché la capacità di esposizione secondo successione logica e proprietà di linguaggio.
Gli studenti e le studentesse con disabilita o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unita Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione piu idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Written test;
Assessment is based on a 90-minute multiple-choice final examination. The examination may include different types of questions:
- theoretical and conceptual questions;
- interpretation of equations, assumptions, geometries, trajectories, and plots;
- practical exercises requiring calculations or the correct formulation of a solution procedure;
- numerical reasoning, dimensional consistency, parameter sensitivity, and sanity checks.
The examination may assess the entire course content, including material from lectures, worked examples, problem sheets, capstones, and the numerical laboratory.
A minimum grade of 18/30 is required to pass the exam. The scoring scheme, including the treatment of incorrect or unanswered questions, will be communicated through the official course channels before the examination.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.