A probabilistic algorithm for the survivability analysis of an upper stage vehicle reentering into the Earth's atmosphere

After over 60 years from the beginning of the space era, the number of missions has increased exponentially due to the contribution of more and more countries and private companies. At the same time, the problem of space traffic has arisen, mainly on low orbits, and with it the generation of the so-called space debris, coming from ceased satellites, waste materials and fragments generated by collisions on orbit. It is important to remark that a debris is not only a small fragment, but it could be an object of big dimensions such as an upper stage of a launcher or even a whole satellite. This thesis aims to implement a tool that, exploiting a probabilistic analysis of the reentry into the atmosphere of a big debris, is able to assess its survivability, to determine the footprint of impacting fragments and to estimate the consequent risk level. In particular, an upper stage has been analyzed because it is the object that has the highest frequency of reentries over the years. Such a probabilistic tool allows to demonstrate and investigate the very uncertain nature of the reentry problem. In fact, the developed algorithm includes the treatment of those uncertainties that come from the lack of knowledge of precise values of parameters or from highly variable phenomena. One of the most interesting contribution of the thesis is the combination of breakup model and location of impact points. In such a way, it is possible to quantify the casualty expectancy associated to a certain geographical area on the Earth. Moreover, the breakup model exploits a structural element that drives the separation of all the other components, representing what actually happens after the main breakup event. The proposed method has a wide range of applicability, since it is able to evaluate different reentry scenarios with varying initial conditions, categories of the object and types of orbit. The ultimate goal would be a campaign of simulations that accounts for all the possible reentry cases of a certain category of space vehicle, in order to fill in a database with the probability distributions of the main results.

Dopo oltre 60 anni dall’inizio dell’era spaziale, il numero di missioni è aumentato esponenzialmente attraverso il contributo di numerose nazioni e compagnie private. Allo stesso modo ha preso forma il problema del traffico spaziale, soprattutto in orbite basse, e con esso la formazione dei detriti spaziali, dovuti a satelliti non più operativi, materiale di scarto e frammenti generati da collisioni. E’ importante tenere presente che un detrito non è solo un piccolo frammento, ma può essere anche un oggetto di dimensioni notevoli come lo stadio superiore di un lanciatore o un intero satellite. Questa tesi ha come obiettivo la realizzazione di uno strumento che, tramite un’analisi di tipo probabilistico del rientro in atmosfera di un grande detrito, sia in grado di valutare la sua sopravvivenza, determinare la zona di impatto al suolo dei frammenti e quantificare il rischio che ne consegue. In particolare viene analizzato lo stadio di un lanciatore poichè è il tipo di oggetto spaziale che più frequentemente rientra in atmosfera. Tale strumento probabilistico consente di dimostrare e investigare la natura incerta del processo di rientro, infatti l’algoritmo è stato costruito in modo da includere la trattazione delle incertezze legate a quei parametri i cui valori sono poco conosciuti oppure soggetti a forti cambiamenti. L’accoppiamento del modello di distruzione con le coordinate dei punti di impatto è uno dei più interessanti contributi della tesi, poichè permette di stimare il numero di possibili vittime in una certa area geografica. Inoltre, il modello di distruzione si avvale di un elemento strutturale per determinare la rottura primaria, cioè il momento in cui il veicolo si separa in diverse parti. Il metodo proposto ha un vasto campo di applicabilità e può essere quindi usato per valutare casistiche di rientro differenti per condizioni iniziali, categorie di oggetto e forme di orbita. Il fine ultimo sarebbe quello di utilizzare l’algoritmo per simulare tutte le possibili eventualità che potrebbero accadere durante il rientro di una certa categoria di oggetto, in modo da compilare un database con le distribuzioni di probabilità dei risultati post-rientro.