Investigation of Deorbiting Systems using Passive Electrodynamic Propulsion

La continua ed allarmante crescita del numero di detriti spaziali avvenuta negli ultimi dieci anni ha spinto le agenzie spaziali di tutto il mondo ad adottare specifiche strategie di mitigazione. Le attuali linee guida internazionali indicano la necessità di far deorbitare i nuovi satelliti lanciati in orbita terrestre bassa (LEO) entro 25 anni dalla fine della loro vita operativa. Attualmente, i sistemi basati sulla propulsione chimica costituiscono l'unica tecnologia spaziale collaudata adatta ad effettuare un deorbiting completo di un satellite. Tuttavia, l'utilizzo di razzi per una manovra deorbitante richiede un considerevole quantitativo di propellente, andando ad influenzare fortemente il budget di massa del satellite, limitandone così la vita operativa. Ciò porta alla necessità di sviluppare tecnologie innovative per il rientro a fine vita di satelliti. Una di queste consiste nell'utilizzo di fili elettrodinamici che, attraverso l'interazione con la ionosfera e il campo magnetico terrestre, sfruttano le forze di Lorentz per effettuare il rientro. Studi precedenti hanno dimostrato l'efficacia di tale tecnologia per il deorbiting di satellite in LEO da diverse altezze e inclinazioni orbitali in un tempo relativamente breve. Questo lavoro di tesi affronta alcuni dei problemi caratteristici dei sistemi di deorbiting basati su sistemi a filo elettrodinamico. Innanzitutto, è stato studiato l'impiego di un sistema viscoelastico passivo da installare in corrisponenza dell'interfaccia tra filo e satellite. Questo sistema è stato ideato per smorzare il flusso di energia prodotto dalle forze di Lorentz che continuamente entra nel sistema e che, a lungo andare, può portare il tether all'instabilità dinamica. In secondo luogo, si è affrontato il problema relativo al dispiegamento in orbita di un filo a forma di nastro (tape tethers) da un veicolo spaziale il cui assetto è noto. La strategia scelta è quella di dispiegare dal satellite-base un sub-satellite seguendo una traiettoria predefinita, facendo uso di un sistema di controllo in retroazione lineare proporzionale-derivativo operato da un impianto frenante montato sull'albero del sottosistema di dispiegamento. Infine, è stato sviluppato un processo di ottimizzazione per sistemi a filo elettrodinamico. L'analisi si concentra sulle prestazioni dei sistemi elettrodinamici per il deorbiting di satelliti di piccola taglia (Small Satellites) da orbite LEO appartenenti a regioni sensibili (ad esempio, le orbite polari eliosincrone). Il processo di ottimizzazione è anche in grado di fornire un mass budget realistico del sistema di rientro.