Stable attitude orbits in solar radiation and drag dominated regions

The growth of satellites orbiting the Earth gives rise to the need for investigating disposal strategies for space vehicles to keep operative orbits safe for future space missions. Recently, several studies have been focused on designing end-of-life missions. Technology development has enabled the use of solar sails to control light spacecrafts. Solar sail shape with auto-stabilising dynamical properties supposes an exceptional and attractive option to explore in order to passively deorbit a vehicle with a minimum power cost. This work explores the stable dynamics of a spacecraft with a simplified version of a pyramidal shape solar sail. In the last stage of the orbit lowering, the attitude is affected by disturbances due to Earth oblateness effect, solar radiation pressure, and atmospheric drag. A sensitivity analysis on the geometric parameters of the sail and initial parameters of the orbit is performed. In particular, the transition region between solar radiation pressure dominated region and atmospheric drag dominated region is analysed. In this environment, spacecraft configurations and initial orbit parameters that make the satellite remains stable until the very end of the re-entry are found. These results could serve as a guideline for more accurate analyses, extending the work to three-dimension study with high-fidelity models would suppose a step for this technology readiness level, contributing in this way to the development of end-of-life mission designs.

Il crescente numero di satelliti in orbita attorno alla Terra dà origine alla necessità di investigare le strategie di smaltimento per i veicoli spaziali, per mantenere le orbite operative sicure per le future missioni spaziali. Recentemente, diversi studi si sono concentrati sulla progettazione di missioni di fine vita. Lo sviluppo della tecnologia ha reso possibile l’uso di vele solari per il controllo di veicoli spaziali leggeri. La forma delle vele solari con propriet`a dinamiche auto-stabilizzanti diventa un’opzione eccezionale e attraente da esplorare per lo smaltimento passivo di un veicolo con un consumo energetico minimo. Questo lavoro esplora le dinamiche stabili di un veicolo spaziale attraverso una versione semplificata di una vela solare con forma piramidale. Nell’ultima fase della caduta verso la terra, l’assetto influenzato da disturbi dovuti all’effetto dello schiacciamento della Terra, alla pressione della radiazione solare e alla resistenza atmosferica. Viene eseguita un’analisi di sensibilit sui parametri geometrici della vela e i parametri iniziali dell’orbita. Un’analisi della regione di transizione tra la regione dominata dalla pressione di radiazione solare e la regione dominata dalla resistenza atmosferica è inclusa. In questo ambiente, si trovano confgurazioni di satelliti e parametri orbitali iniziali in cui il veicolo cade sulla Terra in modo stabile. Questi risultati potrebbero servire come base per analisi più accurate, l’estensione di questo lavoro al caso tridimensionale tramite modelli ad alta fedeltà farebbe avanzare il livello di prontezza di questo tipo di tecnologia. Contribuirebbe inoltre allo sviluppo di una vera progettazione delle missioni di fine vita.