Search

Questo documento è il terzo deliverable dell'accordo di collaborazione tra ASI e INAF in ambito "Detriti Spaziali- Supporto alle attività IADC e SST 2019-2021".

In the last decade, the continuous and alarming growth of space debris prompted many space agencies all over the world to adopt debris mitigation strategies. Present guidelines indicate the need to deorbit new satellites launched into low Earth orbit (LEO) within 25 years from their end of life. At present, a space-proven technology suitable to carry out a complete deorbit utilizes classical chemical propulsion. However, a deorbit maneuver by means of chemical rocket strongly affects the satellite propulsion budget, thus limiting the operational life of the satellite. These issues bring the need to develop innovative deorbiting technologies. One of these consists in using electrodynamic tethers that, through its interaction with the Earth ionosphere and magnetic field, can take advantage of Lorentz forces for deorbiting. Previous studies have shown the effectiveness of such a technology to deorbit LEO satellites from different altitudes and inclinations in a relatively short time. This work addresses some of the issues of deorbit systems based on electrodynamic tether systems. First, a passive elastic-viscous damping device installed at the attachment point of the tether to the spacecraft is studied to damp the low and yet continuous injection of energy into the system produced by Lorentz forces that, in the long run, can bring the tether to instability. Second, the issues related to the in-orbit deployment of a tape-shaped tether from a non-tumbling spacecraft are attacked to find simple and effective solutions. The chosen strategy is to deploy a tethered tip mass following a pre-determined flight path fed forward to a linear proportional-derivative closed-loop control operated by a brake system mounted on the deployer reel. Lastly, an optimization process for bare electrodynamic tether systems has been developed. The analysis focuses on the deorbiting performances of electrodynamic tether systems from LEO high ranking hot spot regions (e.g., sun-synchronous orbits), and includes a realistic mass budget of a deorbiting system suitable for small satellites.

Questo documento riassume le attività svolte nell'ambito del quarto anno del Progetto ASI Detriti Spaziali, dalla IV alla V Riunione di Avanzamento. Oltre a ciò, sono descritte anche le attività del Primo Atto Aggiuntivo al contratto, svolte nello stesso periodo. Va sottolineato che il presente documento coincide con il rapporto finale delle attività contrattuali, escluse quelle relative ai WP130 e WP120b, per il completamento dei quali è stata ottenuta una proroga di sei mesi rispetto alla scadenza del 13 dicembre 2010. Per quanto concerne le misure ottiche (WP110), di responsabilità di UNIRM1, sono proseguite le attività di osservazioni ottiche riepilogate in una tabella e si è migliorata l'automazione dell'osservatorio SpaDE. E' stata analizzata la possibilità di effettuare misure spettrometriche con l'osservatorio di Toppo di Castelgrande. Problemi tecnici hanno impedito la consegna del nuovo telescopio da 50 cm da parte del fornitore che ha quindi messo a disposizione del GAUSS diversi sistemi ottici, tra cui un telescopio da 41 cm di diametro. Riguardo il Contributo di altri osservatori (WP111), di responsabilità di UNIRM1, vengono presentati i risultati delle osservazioni congiunte con gli osservatori amatoriali di Massa d'albe e Anguillara. Vengono riportati i risultati finali relativi all'analisi di immagini di campagne osservative congiunte con CNES e JAXA. Inoltre viene illustrata la rete di osservatori italiani e internazionali (in particolare Toppo di Castelgrande e Morehead (MSU)) coordinati dal GAUSS. Circa il Monitoraggio in-situ (WP130), di responsabilità di UNIRM, sono iniziate le prove di sensibilità dei trasduttori piezoelettrici e la revisione dell'elettronica. Le prove di impatto iperveloce per la calibrazione saranno effettuate congiuntamente a CISAS. Per quanto riguarda le misure radar (WP120a), di responsabilità IRA-OATO dell'INAF,. vengono riassunte le attività svolte tra la quarta e la quinta riunione di avanzamento, che portano al completamento di tutte le azioni previste nell'Allegato Tecnico. Viene presentato lo studio elettromagnetico dell'antenna VLBI di Medicina effettuato allo scopo di valutare la possibilità di installare un sistema ricevente in piggy-back. Tale studio viene interamente allegato al presente documento (vedi allegato 1). Per quanto concerne le campagne di misura, nel periodo in esame è stata effettuata la campagna osservativa con il sistema radar multistatico (Evpatoria-Medicina-Ventspils) e una campagna di test per localizzare delle sorgenti di interferenza. Vengono presentati i risultati di entrambe le sessioni osservative. Infine per quanto riguarda il software di analisi in real-time dei dati radar, è stato ultimata la realizzazione dello spettrometro installato su schede basate su FPGA. Si riportano quindi la descrizione e i risultati dei test di funzionamento di tale spettrometro. Per quanto riguarda le misure radar (WP120b), di responsabilità ISAC-CNR, ha avuto inizio a fine ottobre lo spostamento della stazione nel nuovo campo di Villa Sant'Elia in località Campi Salentina (Le), operazione che verrà conclusa inderogabilmente a fine novembre 2010. Sono proseguite le osservazioni mensili dei detriti al rientro in atmosfera. Per ogni giorno dei periodi mensili di osservazione fino ad ottobre 2010 sono stati calcolati i rapporti percentuali dei flussi dei debris rispetto ai flussi totali, i flussi medi dei debris su ogni periodo, e infine le variazioni giornaliere dei flussi totali e dei debris sull'arco temporale delle osservazioni. Dall'analisi dei dati storici relativi agli eventi del test ASAT Cinese del febbraio 2007, del test ASAT USA del febbraio 2008 e della collisione Iridium 333/Cosmos 2251 e inoltre dal successivo confronto con i dati del radar BL, si è osservato un generale incremento delle percentuali dei debris nei mesi del 2010 rispetto ai corrispondenti mesi del 2009. Questo è stato messo in relazione al notevole numero dei frammenti aggiuntivi prodotti dai citati eventi catastrofici presenti in orbite LEO. Per febbraio-aprile 2009 e per aprile 2010 sono stati analizzate le variazioni orarie dei debris in avanzato rientro, al fine di verificare possibili anomalie nei flussi orari. Si sta sviluppando il software per l'accquisizione dei dati da 5 canali che rappresentano le uscite dei ricevitori dell'interferometro. Per quanto riguarda la modellazione (WP200) e la mitigazione (WP400), di responsabilità ISTI/CNR, le ultime attività previste dal contratto originario (non essendo ISTI incluso nell'Atto Aggiuntivo) sono state completate in occasione dello IADC-28 e presentate alla RA4. Comunque, ISTI ha assicurato il proprio supporto alle attività IADC e contrattuali, fino alla chiusura naturale del presente contratto, per evitare ricadute negative sui task IADC in corso. Successivamente alla RA4 è continuata la caratterizzazione delle nubi di detriti collisionali di Fengyun 1C, Cosmos 2251 e Iridium 33. Sono inoltre ripartite le attività connesse con l'AI 27.1, per la valutazione della necessità di un Active Debris Removal in LEO, e si è svolta la programmata campagna test di rientro 2010-1, con esiti molto positivi. Per quanto riguarda specificamente le collaborazioni e la mitigazione, sono stati riveduti e commentati diversi importanti documenti IADC, è stato analizzato il contenuto di un database di informazioni spaziali su richiesta dell'ASI ed è proseguita l'attività nell'ambito degli AI 22.2, 26.2 e 27.2, relativamente all'aggiornamento e al supporto delle IADC Mitigation Guidelines e alla valutazione del rischio rappresentato dai rientri. Infine, per quanto concerne le problematiche di protezione (WP310 e 330), di responsabilità CISAS, vengono presentati i risultati degli ultimi esperimenti di impatto effettuati a supporto dell'AI 26-1 IADC per la caratterizzazione di ejecta da satellite. In particolare, è riportato l'esito della valutazione di diversi sensori per la caratterizzazione degli ejecta, oltre che lo studio del fenomeno di produzione di frammenti secondari in seguito ad impatti obliqui. I dati sperimentali raccolti hanno anche permesso di formulare delle procedure semi-empiriche per la previsione della distribuzione di massa e velocità delle particelle entro le nuvole di ejecta, producendo dunque un'informazione utile per il calcolo del flusso detritico secondario originato in seguito ad impatti primari su superfici satellitari. Per quanto concerne le attività numeriche, sono state affinate le tecniche di simulazione della generazione di ejecta mediante hydrocode, ottenendo buoni risultati a spese però di tempi di calcolo estremamente significativi. Infine, è stato predisposto un software specifico per il Risk Assessment, che consente di utilizzare MASTER e ORDEM come modelli di ambiente e implementa varie equazioni di danno per il calcolo della resistenza balistica del sistema. Lo stesso software consente di stimare il flusso detritico secondario originato a seguito della produzione di ejecta da impatto iperveloce su superfici di veicoli spaziali.

Questo documento rappresenta un sunto delle attività svolte nell'ambito del terzo anno del Progetto ASI Detriti Spaziali, dalla Seconda alla Terza Riunione di Avanzamento. Oltre a ciò, sono descritte anche le attività del Primo Atto Aggiuntivo al contratto, svolte nello stesso periodo. Per quanto concerne le misure ottiche (WP110), di responsabilità di UNIRM1, l'attività dell'osservatorio SPADE è stata dedicata all'osservazione di satelliti in orbita bassa. Tali satelliti sono stati scelti sulla base delle informazioni fornite dal servizio "SOCRATES" del sito Celestrak che individua tra i satelliti catalogati quelli coinvolti in "close approach". Tra le coppie identificate dal sito, sono state osservate quelle con la maggiore probabilità di collisione. E' stato poi necessario realizzare un software in MATLAB capace di passare dai TLE alle effemeridi dei satelliti da tracciare in maniera di realizzare un inseguimento di satelliti veloci. Nell'ambito delle cooperazioni internazionali finalizzate al miglioramento del sistema di osservazione dei detriti spaziali comprendente l'osservatorio SPADE si è dato luogo ad una collaborazione tra GAUSS/ASI, CNES e JAXA nel campo dell'image processing. Per quanto riguarda il sensore di impatti è stato realizzato l'hardware di acquisizione dati ed il software di interfaccia, deve iniziare la fase di scelta del sensore. Per quanto riguarda le misure radar (WP120a), di responsabilità IRA-OATO dell'INAF, viene data una sintesi delle attività svolte nel primo semestre dal KOM. Dopo avere illustrato brevemente la metodologia del piggy-back nei radar bistatici, si descrive in dettaglio l'algoritmo, sviluppato nell'ambito di questo contratto, per calcolare le coordinate di puntamento delle antenne slave nei sistemi piggy-back. La sincronizzazione (nella registrazione dei dati e nelle operazioni di puntamento) è già disponibile sulle antenneappartenenti alla rete VLBI (Very Long Baseline Interferometry). Per quanto concerne le attività di misura, sono state effettuate duecampagne osservative in modalità bistatica utilizzando l'antenna ricevente VLBI di Medicina e la trasmittente RT-70 di Evpatoria. Talicampagne hanno riguardato l'osservazione di detriti noti (prodotti dalla collisione Iridium 33 - Cosmos 2251), la ricerca in beam-parking di oggetti non correlati in orbita LEO e l'osservazione di calibratori radar, che saranno utilizzati nella stima delle RCS. Durante le osservazioni è stato anche testato un nuovo sistema di preview in real-time degli echi, implementato sullo spettrometro SPECTRA-1. Per quanto riguarda le misure radar (WP120b), di responsabilità ISAC-CNR, sono state condotte osservazioni mensili dei detritial rientro in atmosfera, discriminandolli dai meteoroidi in base ai tempi di salita dei corrispondenti radioechi. E' stato applicato unfattore correttivo nel calcolo della velocità del debris tenendo conto dell'effetto dell'ablazione fino a quote di 70-80km dove èmassima la concentrazione dei debris. Si è discussa l'esistenza di una possibile evoluzione temporale (stagionale) dei flussi deidebris connessa alla radiazione solare. Sono stati messi a confronto i flussi cumulativi dei debris e dei meteoroidi in funzione delleloro dimensioni e analizzato il comportamento delle curve teoriche applicate a tali flussi, estrapolate a particelle micrometriche. E'stato effettuato un primo confronto di questi risultati con quelli ottenuti dall'analisi dei crateri da impatto su strutture orbitanti e daaltre misure radar dell'ambiente detritico in orbite LEO. Per quanto riguarda le attività di modellazione (WP200) e mitigazione (WP400), di responsabilità ISTI/CNR, è stata investigatal'evoluzione delle nubi di detriti generate dalla collisione tra i satelliti Cosmos 2251 e Iridium 33, è stato completato l'Internal Task del WG2 per la valutazione dei benefici per l'ambiente LEO di un Active Debris Removal, è stato completato uno studio a supporto dello IADC AI 22.2 "Long term presence in GEO region of GTO objects", è stata garantita la partecipazione attiva alla campagna di rientro IADC-2009-1, sono state esaminate le problematiche del "conjunction assessment" e della "collision avoidance" per la costellazione di satelliti COSMO-SkyMed, è stata presentata la situazione degli oggetti italiani in orbita nel contesto della popolazionedei detriti orbitali e sono state delineate la attività svolte in ambito IADC, COPUOS, ISO e European NoC SD. Infine, per quanto concerne le problematiche di protezione (WP310 e 330), di responsabilità CISAS, viene presentata la selezionedelle tipologie di target e la definizione della relativa Test Matrix per gli ultimi 40 test HVI previsti dal contratto: tali esperimenti rispondono alle responsabilità italiane relative all'AI26-1 IADC "Characterization of ejecta from HVI on spacecraft outer surfaces" e alla necessità di calibrare il sensore in-situ sviluppato nell'ambito del WP130. Vengono anche presentate le attività svolte fino ad oggi per contribuire al medesimo AI, inclusa la definizione di procedure di misura e la valutazione preliminare di sensori primari per lo strumento. Infine, vengono discusse le problematiche riscontrate nell'uso di ESABASE2 per stime di rischio per Cosmo-Skymed, lequali hanno portato alla definizione ed implementazione di una procedura alternativa per il Risk Assessment, che utilizza MASTER2005 come modello di environment ed equazioni di danno realistiche (reperite in letteratura) per la definizione della soglia di limite balistico.

Report on the space debris mitigation activities carried out by ASI in 2007-2008.

Proposal of a study to evaluate the long term influence on the orbital debris environment of the objects crossing or residing in the GEO protected region.

While the world was celebrating 50 years of space activity, the United Nations' Committee on the Peaceful Uses of Outer Space (COPUOS) approved, during the 6-15 June 2007 session, a set of space debris mitigation guidelines, formally endorsed by the General Assembly on 14 November 2007 (A/RES/62/217, issued on 10 January 2008). Derived from the Space Debris Mitigation Guidelines, issued in 2002 by the Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC), the COPUOS guidelines consist of a set of seven high level mitigation principles covering space system design, launch, operation and disposal. This testifies to the growing relevance of space debris outside the relatively small number of engineers and scientists directly involved in research. The circumterrestrial space is, in fact, a very precious environment of great scientific, economic and strategic importance. All reasonable efforts must be made to preserve it for future generations and appropriate strategies should be devised, developed and implemented to minimize the impact of space debris on future space missions. Several significant results have been obtained in recent years, but a lot remains to be done in terms of enhanced observations, in situ measurements, environment and impact modeling, protection and implementation of affordable mitigation practices.

Sarà il focus sulla Luna l'evento centrale della XVI edizione del workshop di geopolitica ed economia internazionale promosso dal think tank "Il Nodo di Gordio" in collaborazione con il Centro Studi "Vox Populi", che si svolgerà in Trentino dal 19 al 21 Luglio. Nella splendida cornice del Castello di Pergine, Sabato 20 Luglio dalle 17,00 alle 19,00, si terrà "La Luna dal Pozzo": un evento scientifico divulgativo dedicato al 50esimo anniversario dello sbarco sulla Luna e agli scenari passati e futuri dell'esplorazione aerospaziale, al quale parteciperanno qualificati rappresentanti dei settori della ricerca scientifica, dell'innovazione tecnologica e dell'applicazione industriale: Francesco Profumo, Presidente della Fondazione Bruno Kessler, Walter Cugno, Direttore di Thales Alenia Space; Alberto Battistelli, Primo ricercatore Istituto di Ricerca sugli Ecosistemi Terrestri del CNR e Luciano Anselmo, Ricercatore Istituto di Scienza e Tecnologie dell'Informazione del CNR. In apertura, avremo protagonista Piero Angela, in una video intervista rilasciata in esclusiva al Nodo di Gordio. I lavori saranno coordinati dal Capo Ufficio del CNR Marco Ferrazzoli. L'evento si terrà a cinquant'anni esatti da quel 20 Luglio 1969 che consegnò alla storia l'epocale impresa della missione "Apollo 11", magistralmente raccontata agli italiani dalla telecronaca di Tito Stagno e Ruggero Orlando e resa emblematica dalla frase dell'astronauta Neil Armstrong: "Questo è un piccolo passo per l'uomo, un gigantesco balzo per l'umanità".

This document presents the activities carried out in the framework of the ASI Project "Space Debris" since the first Progress Meeting.

Il notevole aumento dell'attività spaziale degli ultimi decenni ha posto il problema del sovraffollamento delle orbite basse: i satelliti non più operativi rappresentano un pericolo per i nuovi satelliti che vengono immessi in orbita e minacciano la sicurezza delle missioni spaziali umane (i.e. stazione spaziale internazionale). L’organizzazione Internazionale che si occupa di studiare i problemi connessi ai detriti spaziali, (IADC Inter-Agency Space Debris Coordination Committee), ha rilasciato linee guida che propongono di limitare a 25-30 anni la vita meccanica di satelliti non più operativi in orbita terrestre bassa (300-1000 km di quota). I grandi satelliti dispongono usualmente di sistemi per il controllo orbitale a propulsione che possono essere utilizzati per disporne il rientro. Altresì negli ultimi anni sono prolificati microsatelliti, ovvero satelliti la cui dimensione e peso ridotti permettono una riduzione dei costi di lancio e produzione e che non dispongono di un controllo orbitale attivo. A questi satelliti principalmente si rivolge l’invenzione in questione. Il sistema per il rientro inventato e' comunque applicabile a qualsiasi tipo di satellite in orbita terrestre bassa in quanto completamente autonomo e adattabile ad ogni forma e dimensione. Il sistema di rientro e' basato su elementi estensibili atti a dispiegare una vela che aumenta la superficie maestra del satellite, incrementando la resistenza aerodinamica del medesimo e accelerando i tempi di rientro in atmosfera terrestre (fig.1). L’invenzione in oggetto può essere anche utilizzata come sistema di controllo d’assetto del satellite. Infatti la stessa invenzione può essere impiegata per controllare l’assetto del satellite sfruttando il momento prodotto dalla resistenza atmosferica. In questo tipo di applicazione la coppia prodotto del braccio della forza aerodinamica (la distanza tra il baricentro del satellite ed il centro di pressione della vela) per la forza stessa tende ad orientare un asse del satellite lungo la direzione della velocità orbitale del satellite. Un’asse corpo del satellite risulta in tal modo stabilizzato. Le parti costituenti l'invenzione in oggetto, schematicamente riportate nel seguente diagramma di flusso e raffigurate in figura 3 sono gli elementi estensibili (2), la vela che verrà ripiegata nell’apposito spazio (5), il sistema di apertura (4), il corpo principale costituito da una base (7), da un coperchio (1) e da sistema di produzione di energia (celle solari (6)) e le chiusure di sicurezza (3). Le parti strutturali possono essere realizzate in alluminio o in materiale che garantisca equivalenti o migliori caratteristiche di leggerezza, resistenza e robustezza. L’invenzione in questione dispiega una vela triangolare, ma nulla vieta di disporre gli elementi estensibili in altre direzioni e in numero maggiore di due per variare la forma della vela. Ad ogni satellite possono essere adattati un numero di sistemi per il rientro variabile in dipendenza della missione specifica e della necessità di incremento d’area, un esempio di sistemi installati a bordo di un satellite è riportato in figura 2. Allo stato dell’arte sono utilizzati sistemi propulsivi per il rientro di oggetti in orbita bassa e sono allo studio sistemi a filo elettrodinamico. L’invenzione proposta mostra vantaggi rispetto ai sistemi a propulsione perché può essere utilizzata su satelliti senza controllo d’assetto ed orbitale, permettendo una notevole riduzione di complessità, non richiedendo opportune manovre, e di pesi non necessitando di propellente e motori. Rispetto ai sistemi a filo elettrodinamico il sistema di rientro proposto mostra una maggiore possibilità di sopravvivenza all’ambiente microdetritico tipico dell’orbita bassa.

An abstract is not available.