Analysis of innovative scenarios and key technologies to perform active debris removal with satellite modules

It has surely happened sometimes to look at the night sky and catch sight of a small, brighting spot moving like an airplane, but without ashing as usually airplane lights do: it was a satellite. It is always amazing to think that there are objects that continously orbit around Earth, so far from us. Maybe, it is not well-known that they are a lot...thousands...more or less 17,000 those closer to the Earth, to be precise. It is difficult to imagine how so much objects can orbit without touching or colliding each other. From the beginning of the space activities in 1957, an enormous number of objects have been sent or released in space, and thinking that space is so limitless that it could contain everything, all these objects have been abandoned in orbit. The result has been the creation of a great quantity of debris that have began to represent a serious threat for future space missions. Recent studies revealed that if no countermeasures are going to be adopted to reduce the generation of debris in orbit, like for example spent spacecraft and orbital stages, the space population could remain stable only for the next 20 - 30 years. Beyond that, collisional cascade events between objects already in orbit will cause a rapidly increase of debris, even in case of a complete hault of launches. This self-sustained phenomenon, known as Kessler Syndrome, would prevent any other human access to space. Although from '90s, mitigation measures have been proposed to limit the generation of debris in orbit, they appeared to be insufficient to guarantee a long term stability of the space environment. The only way to intervene would be the implementation, in parallel, of active debris removal (ADR) missions. The effectiveness of such kind of missions has been demonstrated, but there are numerous aspects that have to be solved yet in order to make them feasible in the near future. On one hand new mission studies and analyses are required to identify the most efficient ADR scenarios. On the other hand, there are several technological issues that are particuarly critical, espacially as regards the capture of space debris, that are essentially un-cooperative objects and so, not-specially-prepared to be grasped. The research developed in this thesis deals with two of the main aspects related to active debris removal: I) ADR mission analysis, II) developement of an enabling technology for ADR; in the specific case, the development of a morphing adhesive interface to capture uncooperative ojects. A multiple vehicles scenario, where orbital transfers and de-orbiting operations are accomplished by distinct vehicles (a space tug for the former, proper de-orbiting kits for the latter), is selected for the analysis. The innovative solution proposed is the employemnt of modular structures as de-orbiting kits, constructed by assembling a certain number of microsatellite elementary units, equipped with proper de-orbiting devices; the number of assembled units depends on the characteristics of the debris, in terms of mass and initial orbit, as well as to the specic de-orbiting technology selected. An increased mission efficiency, reliablity and exibility are expected from the adoption of such approach. Costs and mass savings can be also expected, as well as economy of scale, thanks to the standarization of the units employed. Four de-orbiting solutions are implemented in the analysis: drag sails, electric propulsion, electrodynamic tethers, hybrid propulsion. Different mission scenarios are analysed, to determine the performances of each solution, in terms of de-orbiting kit mass and total de-orbiting time. For each de-orbiting technlogy, a proper base unit is determined. An optimization procedure to perform multiple orbital transfers and, hence, minimize the mass of the propulsion system of the space tug, is also performed. Five orbital bands are identified as priority regions, where debris have mass between 800 kg and 11 tons and orbits between 800 km and 1000 km. The analyses revealed that, although drag sails are low-cost and simple solutions, they are not suitable to de-orbit massive debris from high altitudes since very large sails could be required, with consequent high risk of collisions during the de-orbiting phase. Electric propulsion and electrodynamic tethers are both promising solutions for ADR: for debris with mass 2000 kg they are comparable, both in terms of de-orbiting kit mass and total de-orbiting time. For more massive debris, mass 2000 kg, electrodynamic tethers performes better from the remover mass point of view, but higher de-orbiting time is required compared to electric propulsion. Risks assessment evaluation revealed that in this case the probability for the electrodynamic tethers to be damaged in consequence of collisional events with debris up to 10 cm exceeded the limit of 0.001 indicated in the NASA-STD-8719.14. The risk analyses conducted for electric propulsion, on the other hand, did not reveal any risk of catastrophic collision during the deorbiting manoeuvre. Hybrid propulsion resulted the most massive solution among those implemented, but it represents the fastest solution in terms of de-orbiting time. The second part of the research activity is focused on the development of a morphing adhesive interface to be integrated as end effect of a robotic mechanisms to allow the capture of uncooperative objects. Two technologies are investigated in the realization of the interface: shape memory polymers, for the morphing behaviour, and electroadhesion for the adhesion capabilities. Two prototypes are then developed and tested. It is observed that mechanical pre-load as well as electrostatic force increase the normal adhesion performances of the realised interface. Normal adhesion pressures can vary between 0.55 and 1.4 kPa without the contribution of electrostatic forces, as the mechanical pre-load is varied between 1.5 N and 10 N. The adhesion pressure increases in presence of electrostatic forces, varying between 1.40 kPa and 1.80 kPa for different mechanical pre-load and voltage conditions. The forces achievable range between 3.5 N and 11.5 N. Morphing tests are also performed to verify the morphing-adhesive capabilities of the developed interface. The tests demonstrates taht the presence of a foam substrate could be advantageous as regards the capture of uncooperative objects, allowing a good compliance between two contact surfaces even in presence of macroscopical irregularities, enhancing the adhesion between them. The effectivness of the proposed morphing-adhesive interface is then demonstrated.Sarà sicuramente capitato qualche volta di guardare il cielo stellato e di scorgere un piccolo puntino luminoso che si muoveva come un aeroplano, ma senza lampeggiare come di solito fanno le luci degli aerei: si trattava di un satellite. E' sempre affascinante pensare che ci sono oggetti che orbitano continuamente attorno alla Terra, così distanti da noi. Forse, non è così noto che ce ne sono davvero tanti...migliaia...17,000 quelli più vicini alla Terra, per la precisione. E' diffcile immaginare come così tanti oggetti possano orbitare senza toccarsi o scontrarsi tra loro. Fin dall'inizio delle attività spaziali nel 1957, un'enorme quantità di oggetti è stata lanciata o rilasciata in orbita, e pensando che lo spazio sia così illimitato da poter contenere ogni cosa, tutti questi oggetti sono stati abbandonati in orbita. Il risultato è stato la creazione di un gran numero di detriti che hanno iniziato a rappresentare una minaccia per le future missione spaziali. Recenti studi hanno rivelato che se proprie contromisure non saranno adottate per ridurre la creazione di ulteriori detriti in orbita, come per esempio satelliti non operativi e stadi orbitali, l'ambiente spaziale potrebbe rimanere stabile solo per i prossimi 20 o 30 anni. Oltre tale termine, potrebbero verificarsi eventi di collisioni in cascata tra gli oggetti attualmente in orbita causando un rapido aumento del numero di detriti, anche nel caso irrealistico di un completo arresto dei lanci. Questo fenomeno autosostenuto, noto come Sindrome di Kessler, potrebbe impedire qualsiasi altra missione nello spazio. Nonostante a partire dagli anni '90 siano state proposte misure di mitigazione per limitare la generazione di detriti in orbita, esse si sono rivelate insufficienti per garantire una stabilità a lungo termine dell'ambiente spaziale. L'unico modo di intervenire è l'implementazione, in parallelo, di missioni di rimozione attive dei detriti spaziali (in inglese Active Debris Removal - ADR). L'efficacia di tali missioni è stata dimostrata, ma ci sono ancora numerose questioni che devono essere affrontate per poterle applicare nella realtà. Da un lato, l'efficienza dei possibili scenari di missione deve essere investigata in modo da individuare le soluzioni migliori. Dall'altro lato ci sono ancora diverse questioni tecnologiche particolarmente critiche, specialmente riguardo la cattura dei detriti, che sono essenzialmente oggetti non cooperativi e quindi non predisposti per essere catturati. La ricerca sviluppata nel presente lavoro di tesi è stata focalizzata su due degli aspetti principali legati all'ADR: I) analisi di missione di ADR e II) sviluppo di una tecnologia chiave per l'ADR; nel caso specifico, di un'interfaccia deformabile adesiva per la cattura di oggetti non-cooperativi. E stato considerato uno scenario di missione basato sull'impiego di veicoli distinti per l'esecuzione dei trasferimenti orbitali e delle manovre di de-orbiting. In particolare, un veicolo di grandi dimensioni per i primi e propri kits di de-orbiting per le seconde. La soluzione innovativa sviluppata è stata l'adozione di strutture modulari per la realizzazione dei kits di de-orbiting: esse consistono nell'assemblare un certo numero di unità base di microsatelliti, equipaggiate con specifici sistemi di de-orbiting; il numero di unità assemblate dipende dalle caratteristiche del detrito, in termini di massa e altezza iniziale, e dalla particolare tecnologia di de-orbiting. Uno scenario di questo tipo comporta una maggiore efficienza, adattabilità e flessibilità. Sono inoltre previsti vantaggi in termini di costo e di massa, con la possibilità di impiegare economie di scala grazie alla standardizzazione delle unità impiegate. Nello studio sono state considerate quattro soluzioni di de-orbiting: vele per l'aumento del drag, propulsione elettrica, filo elettrodinamico (electrodynamic tether) e propulsione ibrida. Diversi scenari di missione sono stati analizzati per determinare le caratteristiche delle soluzioni adottate, in termini di massa del sistema di de-orbiting e di tempo totale di manovra. Per ogni tecnologia è stata dimensionata una unità microsatellite elementare. Inoltre, è stata anche implementata una procedure di ottimizzazione di trasferimenti orbitali multipli per minimizzare la massa del sistema propulsive richiesto. Sono state poi individuate cinque bande orbitali in cui attuare l'ADR, caratterizzate da detriti con masse tra 800 kg e 11 tonnellate, e altezze tra gli 800 km e i 1000 km. Le analisi hanno rivelato che le vele per incrementare il drag atmosferico, pur essendo soluzioni a basso costo e semplici, non sono adeguate per la rimozione di detriti massivi in orbite elevate perchè richiederebbero dimensioni troppo elevate con un aumento della possibilità di collisioni durante la fase di de-orbiting. La propulsione elettrica e il filo elettrodinamico sono entrambe soluzioni promettenti per l'ADR: per detriti con massa minore di 2000 kg le due tecnologie sono comparabili, sia in termini di massa del sistema di rimozione, sia di tempo di de-orbiting. Per detriti più massivi, con massa maggiore di 2000 kg, il filo elettrodinamico è più vantaggioso in termini di massa, ma richiede tempi di de-orbiting molto maggiori rispetto alla propulsione elettrica. La probabilità di avere impatti con detriti fino a 10 cm di diametro è risultata maggiore del limite suggerito nel NASA-STD-8719.14 di 0.001. Nel caso della propulsione elettrica invece, si è ottenuto un rischio di collisioni catastrofiche trascurabile. La propulsione ibrida è risultata la soluzione più svantaggiosa in termini di massa, ma è quella che consente il de-orbiting in tempi più ridotti. La seconda parte dell'attività di ricerca è focalizzata sullo sviluppo di un'interfaccia deformabile adesive che potrebbe essere impiegata come end-effector di un meccanismo robotico per la cattura di oggetti non-cooperativi. Due diverse tecnologie sono state considerate per lo studio: polimeri a memorie di forma, per la capacità di adattarsi a forme differenti, e l'elettroadesione per l'adesione mediante forze elettrostatiche. Due prototipi sono stati realizzati e testati. Dai test è emerso che sia un precarico meccanico che le forze elettrostatiche contribuiscono ad aumentare l'adesione. Si sono ottenuti livelli di pressione normale di adesione dell'ordine di 0.55 kPa - 1.4 kPa senza forze elettrostatiche, con variazione del precarico meccanico tra 1.5N e 10 N. L'adesione aumenta in presenza di forze elettrostatiche, variando tra 1.4 kPa e 1.8 kPa per diverse condizioni di precarico meccanico e voltaggio applicato per generare le forze elettrostatiche. Le forze di adesione ottenute variano tra 3.5 N e 11.5 N. Sono stati eseguiti anche dei test che prevedevano la deformazione del supporto per vericare la capacità di deformazione e adesione in presenza di irregolarità macroscopiche sulla superficie dell'oggetto da catturare. Tali test hanno dimostrato che la presenza di un supporto polimerico tipo schiuma può essere vantaggioso nel caso di cattura di oggetti irregolari, in quanto consente di adeguarsi alla forma della superficie dell'oggetto e aderire anche in presenza di irregolarità. In questo modo l'efficacia della soluzione proposta è stata confermata