Orbit-attitude coupling for geostationary HARM debris

The main objective of this work was to study into detail the attitude dynamics of the Telecom2B. The TLE data for this satellite exhibit an evolution for the eccentricity vector that is was not foreseen by the long-term orbital propagation. Attitude behavior and the contribution of solar radiation pressure were considered the cause of this unexpected evolution. Hence, in order to copy with the space law and the good practices for decommissioning satellite at their end of life, it was decided to incorporate attitude into the numerical propagation. In particular the main contribution expected was the development of a computationally light tool capable of reproducing the results of orbit-attitude coupled propagation. Initially the analytical approach was explored to find new insights on solar radiation pressure feature. This path revealed itself to be unfeasible due to the chaotic nature of the underlying equation and this is well testified by the total absence of similar studies and publication in astronautics literature. The numerical approach was therefore employed to study the problem. First of all just the contribution of solar radiation pressure was considered for the attitude motion. Several simulation have be performed. The main teaching is that a proper choice of the step size is crucial to avoid misleading and false results. Simulations considering a null initial velocity were carried out to establish the frequency of spin along the least and biggest axis of inertia. After noticing significant differences with coupled propagator the gravity gradient perturbation was added to the model. The validity of assumptions has been therefore tested against the ®ROTATE 12 d.o.fs propagator. Results match showing that the influence of attitude dynamics over orbital is much stronger than the other way round. Angular velocities were then sampled to understand again the occurrence frequency of the different spin regimes. Monte-Carlo campaigns were then performed on the Cnes high computing center. These allow to estimate distributions of interesting parameters like angular velocities and reflecting cross-sectional area. Those simulations were tested over different time step and show that the mean reflecting cross sectional aera value is not too different from the tumbling value. The unpredicted Telecom2B eccentricty vector evolution cannot therefore be explained by long term attitude propagation.

L’obiettivo principale di questo lavoro consiste nello studio della dinamica di assetto del satellite Telecom2B. I data provenienti dalle TLE mostrato per questo satellite, inattivo dal 2004, un’evoluzione imprevista per il vettore eccentricità. Per effettuare correttamente la deorbitazione di satellite, metodi semi-analitici sono utilizzati per perdire il comportamento su un orizzonte di 100 anni. Tali modelli tuttavia prescindono dall’attitude e si pensa che l’imperscrutabile comportamento del satellite sia dovuto a quest’ultima e al contributo della pressione solare. Pertanto, per cercare di mettere luce su quanto possa essere accaduto, si è deciso di ricorrere all’integrazione della dinamica d’assetto nei modelli dinamici, nel tentativo di ritrovare configurazioni pseudo-stabili in assetto che possano aver incrementato il contributo della pressione di radiazione solare. Il principale contributo consiste nello sviluppo di uno strumento computazionale leggero in grado di riprodurre i risultati della propagazione accoppiata orbita-assetto. Inizialmente si è fatto uso dell’approccio analitico per cercare di svelare pressione della radiazione solare. Questo approccio si è rivelato inapplicabile a causa della natura caotica delle equazioni che regolano tale moto e questo è ben testimoniato dalla totale assenza di studi e pubblicazioni simili nella letteratura aerospaziale. L’approccio numerico è stato pertanto utilizzato per studiare il problema. Dapprima solo il contributo della pressione di radiazione solare è stato preso in considerazione. L’insegnamento principale, che svariate simulazioni numeriche permettono di trarre, è che una scelta corretta della dimensione del passo è cruciale per evitare errori e risultati falsi. Attraverso una campagna di simulazione l’impatto direzione iniziale del sole è stato studiato per stabilire la frequenza di spin lungo l’asse più piccolo e più grande di inerzia. Dopo aver notato differenze significative con il propagatore ®ROTATE del Cnes , la coppia dovuta al gradiente di gravità è stata aggiunta al modello dinamico. La validità delle assunzioni è stata quindi testata contro il propagatore ®ROTATE 12 d.o.fs. I risultati concidenti dimostrano che l’accoppiamento tra dinamica orbitale e d’assetto è debole se considerato dalla prima alla seconda. Le velocità angolari sono state quindi campionate per riuscire a capire nuovamente la frequenza dei diversi regimi di spin. Un analisi di tipo Monte-Carlo è stata quindi eseguita sul centro di calcolo alta performance Cnes . L’insieme di simulazioni effettuate permette di stimare le distribuzioni di parametri interessanti quali velocità angolari e area trasversale riflettente. Queste simulazioni sono state testate su passaggi temporali differenti e mostrano che il valore medio della norma della forza di radiazione solare non è troppo diverso dal valore del regime cosiddetto "tumbling".