Statistical analysis of environmental impact of satellite constellations

A constellation of satellites is a system of similar satellites working together for a shared purpose, typically disposed in a highly organised structure which is able to provide (near) global coverage. At a time when space debris are already a huge problem in the space sector, the deployment of large constellations, made of hundreds to thousands of satellites, is of concern from an environmental point of view. In the next decade, the space sector will undergo a considerable change as the active satellites' population is about to quintuple. This scenario will pose new challenges regarding space traffic management, generating the demand for more powerful and accurate tools. Space debris are already a matter of concern for space exploration and the injection into orbit of 20000 satellites within the next decade could fuel the problem. Major studies recently published already performed accurate analyses about the interaction between constellations' satellites and space debris, hence the focus of this thesis is to assess the risk connected to spacecraft injection and disposal, which will soon have to cross many constellation's shells in order to overpass Low-Earth Orbit (LEO). At first, a statistical model for the evaluation of the mean collision probability related to a shell crossing event will be developed. This type of event involves the passage of a de-orbiting or injecting satellite which has to cross the thin region of space populated by the constellation's satellites. The mathematical description of the crossing dynamics relies on the assumption of circular orbits and independent probabilities, but does not require to propagate the satellites' orbit. A comparison with a conventional propagation method will also be performed for validation purposes. The model developed will then be used as a tool to assess the risk connected to the need of constellation's satellites replacement once they have reached their programmed End-of-Life (EoL). The selected orbit injection and disposal plans involve tangential low-thrusting and the presence of space debris will also be considered. The environmental impact of the replacement of every approved constellation will be analysed by means of the average collision probability. In particular, it will be shown that the key features for space exploration sustainability are the maximum acceleration available form the thruster, the selection of an optimal crossing orbit and the true anomaly phases between constellations' and crossing satellites. The consequences of an in-orbit collision will also be investigated by assessing the collision risk generated by the formation of a debris cloud. The results will corroborate the need for international standards for space traffic management as an exponentially increasing satellites population could trigger a chain reaction of collisions making LEO inaccessible for decades.

Una costellazione di satelliti è un sistema di satelliti simili tra loro i quali operano per uno scopo condiviso, tipicamente disposti in strutture altamente organizzate che permettono una copertura (quasi) globale. In un'epoca in cui i rifiuti spaziali sono già un enorme problema nel settore spaziale, il dislocamento di grandi costellazioni, composte da centinaia a migliaia di satelliti, può costituire un rischio dal punto di vista ambientale. Nel prossimo decennio, il settore spaziale subirà un cambiamento considerevole dal momento che la popolazione attiva di satelliti sta per quintuplicarsi. Questo scenario presenterà delle nuove sfide nella gestione del traffico spaziale, generando un bisogno di strumenti più potenti ed accurati. I rifiuti spaziali costituiscono da tempo un problema per l'esplorazione spaziale e il dispiegamento di 20 000 satelliti entro il prossimo decennio potrebbe alimentare il problema. I principali studi recentemente pubblicati hanno già svolto analisi accurate riguardo l'interazione tra i satelliti delle costellazioni e i rifiuti spaziali, per questo motivo lo scopo di questa tesi è la valutazione del rischio connesso a immissione e smaltimento dei satelliti, i quali dovranno ben presto attraversare diversi gusci di costellazioni per poter superare l'Orbita Terrestre Bassa (LEO). Inizialmente verrà sviluppato un modello statistico per il calcolo della probabilità media di collisione relativa ad un shell crossing event. Questo tipo di eventi è caratterizzato dal percorso di un satellite in fase di immissione o deorbitazione, il quale deve attraversare una sottile regione di spazio popolata dai satelliti di una costellazione. La descrizione matematica della dinamica di un attraversamento si basa sulle ipotesi di orbite circolari a probabilità indipendenti, ma non richiede la propagazione delle orbite dei satelliti. Verrà inoltre eseguito un confronto con un convenzionale metodo di propagazione per validare i risultati. Il modello sviluppato verrà poi usato come strumento per la valutazione del rischio connesso al bisogno di sostituire i satelliti delle costellazioni, una volta raggiunta la fine del loro ciclo di vita programmato (EoL). Le strategie di immissione e deorbitazione selezionate si basano su una bassa propulsione tangenziale e verrà considerata anche la presenza dei rifiuti spaziali. L'impatto ambientale della sostituzione di ogni costellazione approvata sarà analizzato tramite la probabilità media di collisione. Nello specifico, verrà mostrato che i principali requisiti per la sostenibilità dell'esplorazione spaziale sono la massima accelerazione che il propulsore può mettere a disposizione, la selezione di un'orbita di attraversamento ottimale e le fasi di anomalia vera tra il satellite che attraversa e quelli della costellazione. Verranno anche indagate le conseguenze di una collisione in orbita tramite la valutazione del rischio generato dalla formazione di una nuvola di detriti. I risultati corroboreranno il bisogno di leggi internazionali per la gestione del traffico spaziale, dal momento che una popolazione di satelliti in crescita esponenziale potrebbe causare una reazione a catena di collisioni, rendendo l'Orbita Terrestre Bassa inagibile per decenni.