Analysis of Propellantless Tethered System for the De-Orbiting of Satellites at End of Life

L'aumento dei detriti spaziali e la conseguente proliferazione dovuta alla frammentazione di piccoli oggetti, sta portando alla necessità di prevedere strategie di mitigazione. Le presenti linee guida per la mitigazione puntano alla necessità di far rientrare i nuovi satelliti in orbita terrestre bassa (LEO) in un lasso di tempo di 25 anni. Il problema è, dunque, come deorbitare il satellite con un sistema efficiente che non alteri drasticamente il budget di propellente del satellite e, di conseguenza, riduce la sua vita operativa. In questo contesto è stato studiato un sistema passivo, che utilizza fili elettrodinamici per deorbitare un satellite attraverso le forze di Lorentz. Il sistema raccoglie elettroni dalla ionosfera nell'estremità anodica e li riemette attraverso il catodo. La corrente che circola nel filo genera la forza elettrodinamica attraverso l'interazione con il campo magnetico terrestre. La potenza sviluppata può anche essere sfruttata per l'alimentazione del catodo e altri accessori di bordo. Il sistema per il deorbiting sarà montato nel satellite al lancio e verrà deploiato solo alla fine della sua vita operativa. Da quel momento in poi il sistema opererà passivamente senza richiedere alcun intervento da parte del satellite stesso. Questa tesi riassume i risultati delle analisi effettuate per mostrare le prestazioni del sistema a filo spaziando diversi scenari orbitali e configurazioni di satellite. Il sistema a filo è studiato mediante diversi modelli matematici per includere la flessibilità laterale e aumentare la precisione dei risultati, che possono essere facilmente scalati. Inoltre le più recenti routine ambientali sono stato adottate per il campo magnetico, la densità ionosferica e quella atmosferica, mentre un modello 4×4 è stato usato per il campo gravitazionale, in quanto l'ambiente è molto importante per descrivere adeguatamente ciascuna interazione esterna, in particolare quella elettrodinamica. Le proprietà elettriche del filo dipendono dalla sua temperatura, che è calcolato dinamicamente da un modello termico che considera tutti i principali flussi in ingresso e il calore emesso dalla stesso filo. Infine la corrente elettrica lungo il tether deve essere costantemente valutata durante la manovra di rientro, in quanto si possono notare grandi variazioni passando dalle zone illuminate dal sole a quelle in ombra, e vice-versa. Senza controllo il filo va rapidamente in instabilità, poiché la coppia elettrodinamica pompa continuamente energia nel sistema eccitando sempre più la librazione. Così strategie ad hoc devono essere pensate e studiate. In passato diverse tecniche sono state proposte, ma includendo molte ipotesi e limitazioni. In questo lavoro un nuovo concetto è stato implementato: un meccanismo di smorzamento per dissipare l'energia associata al movimento laterale è montato nel satellite alla base del tether. Infine il deployment di un tether a forma di nastro è stato analizzato. Diverse configurazioni sono state considerate, e l'analisi effettuata ha concluso che un deployment non motorizzato è adatto per un nastro largo 1-3 cm. Profili ottimali di riferimento sono stati valutati per due classe di tether (3 e 5 km), e sono stati quindi utilizzati per regolare il meccanismo di frenatura montato sul deployer, per controllare il dispiegamento. Condizioni differenti sono stati analizzate per dimostrare le capacità della legge di controllo nel fornire un dispiegamento corretto anche in presenza di errori diversi