Discrete models of hypervelocity impacts of orbiting objects

Since the beginning of the Space Age, the need of understanding the dynamics linked to hypervelocity impacts has become more and more important. There are more than 170 million debris smaller than 1 cm, more than 670000 from 1 to 10 cm and around 29000 larger debris in orbit around the Earth. The necessity of dealing with collisions with this kind of bodies is paramount. On the other side, collisions between bodies in the Solar System have always happened. Redirection of asteroids that might collide with Earth has been a subject of research in the last decades. Some missions have been thought, such as AIM, ARM, AIDA, DART, or realized, such as Deep Impact. This work presents a modeling of continuum based on discrete elements. Similar to a DEM method, a cluster of elementary particles is utilized in order to model a solid body. This modeling is applied to hypervelocity impacts on orbting bodies. The model is implemented in Project Chrono, a multiphysics simulation engine specialized in the management of multibody dynamics. The code is utilized to recreate two scenarios, an aluminum projectile colliding with an aluminum plate and an asteroid redirection mission based on a kinetic impactor. While the first simulation still presents some critical- ities, the outcomes of the second one are in agreement with state-of-the-art literature.

Sin dall’inizio dell’Era Spaziale, il bisogno di comprendere la dinamica degli impatti ad iper-velocità è apparso sempre piu importante. In orbita intorno alla Terra ci sono più di 170 milioni di detriti più piccoli di 1 cm, più di 670000 tra gli 1 e i 10 cm e circa 29000 di detriti di dimensione maggiore. La necessità di saper gestire collisioni con questo tipo di oggetti è di fonda- mentale importanza. Inoltre, ci sono sempre state collisioni tra i corpi del Sistema Solare. Il riorientamento di asteroidi che potrebbero colpire il nostro pianeta è stato soggetto di ricerche negli ultimi decenni. Missioni sono state pensate, come AIM, ARM, AIDA, DART, o realizzate, come Deep Impact. Questa tesi presenta un modello del continuo basato su elementi discreti. In modo simile al metodo DEM, un ammasso di particelle elementare è uti- lizzato per modellare un corpo solido. Questo modello è applicato in questa tesi a oggetti orbitanti soggetti ad impatti ad iper-velocità. Il modello è implementato in Project Chrono, un simulatore di multifisica specializzato nella gestione della dinamica multicorpo. Il codice è utilizzato per ricreare due scenari, un proiettile d’alluminio che impatta contro una piastra di alluminio e una missione di riorientamento di asteroide basata su una sonda-proiettile. Mentre la prima simulazione presenta ancora alcune criticità, i risultati della seconda sono in accordo con lo stato dell’arte.