Vele solari: modelli di pressione di radiazione solare (SRP), dinamica orbitale e possibili applicazioni in missioni spaziali avanzate

This final report analyzes the use of solar sails as an alternative and sustainable propulsion system for space missions, with particular attention to solar radiation pressure (SRP) and its effects on orbital dynamics. Following a historical and technological overview of the solar sail concept, solar radiation pressure (SRP) is examined through various theoretical models, from the basic Cannonball model to more accurate methods such as raycasting and raytracing. The report then explores the main implications of solar radiation pressure (SRP) on heliocentric orbits, both circular and elliptical, with reference to the sail lightness number and single-impulse transfer maneuvers. The structural configurations of solar sails, key folding and deployment techniques, and the potential of directed energy laser propulsion (DELP) for fast and long-range missions are also presented. A case study based on NASA’s DART mission highlights the benefits of combining solar sails with Trajectory of Escape (TGE) strategies, resulting in fuel savings and enhanced overall mission efficiency. Finally, a potential application is proposed within California Institute of Technology's Space Solar Power Project, involving constellations of solar sails for harvesting and transmitting solar energy from space.

La presente relazione finale analizza l’impiego delle vele solari come sistema di propulsione alternativa e sostenibile per missioni spaziali, con particolare attenzione alla pressione di radiazione solare (SRP) e ai suoi effetti sulla dinamica orbitale. Dopo un’introduzione storica e tecnologica al concetto di vela solare, viene esaminata la pressione di radiazione solare (SRP) attraverso vari modelli teorici, dal semplice modello Cannonball fino a metodi più accurati come il raycasting e il raytracing. Successivamente, si analizzano le principali implicazioni della pressione di radiazione solare (SRP) su orbite eliocentriche, sia circolari che ellittiche, con riferimento al numero di leggerezza della vela e alle manovre di trasferimento a singolo impulso. Vengono inoltre presentate le configurazioni strutturali delle vele, le principali tecniche di piegatura e dispiegamento, e le potenzialità della propulsione laser diretta (DELP) per missioni rapide e a lunga distanza. Un caso studio relativo alla missione DART della NASA mostra i vantaggi derivanti dall’utilizzo combinato di vele solari e traiettorie di fuga (TGE), con un significativo risparmio in termini di propellente e un miglioramento dell'efficienza complessiva della missione. Infine, si propone una possibile applicazione nell’ambito del Space Solar Power Project del California Institute of Technology, per l'utilizzo di costellazioni di vele solari destinate alla raccolta e trasmissione di energia solare dallo spazio.