A new source-sink space environment evolution model including the effects of orbit transfer maneuvers

The growing number of Anthropogenic Space Objects (ASO) planned for launch, particularly mega-constellations, poses a threat to the sustainability of Low Earth Orbit (LEO). This thesis uses the Massachusetts Institute of Technology Orbital Capacity Assessment Tool (MOCAT), an evolutionary multi-shell multi-species source-sink model, to analyze the evolution of objects in LEO. A novel approach is proposed that accounts for the flow of objects across multiple shells during orbit transfer maneuvers, which increases the risk of collisions and debris creation. A higher fidelity version of MOCAT is developed to include active satellites, derelicts, debris, and rocket bodies, as well as dividing active satellites into three subcategories representing different phases of their lifetime: raising satellites, operative satellites, and deorbiting satellites. Raising satellites are those maneuvering from the injection to the operative orbit, operative satellites perform mission tasks, and deorbiting satellites maneuver to re-enter the atmosphere at the end of their lifetime. The MOCAT model propagates ASOs as species using a system of ordinary differential equations, dividing the LEO environment into concentric spherical shells for near-circular orbits. Objects can be added via new launches or collisions, referred to as sources, while objects are removed through post-mission disposal and atmospheric drag, referred to as sinks. The flux of objects is modeled using a low-thrust continuously applied control law, resulting in a spiraling transfer trajectory, which increases the orbital density of a specific shell. The study aims to investigate the evolution of the space environment by comparing different MOCAT models with or without orbit transfer maneuvers. Results show that including such maneuvers leads to a higher number of collisions and debris in orbit. The study also presents a comparison between the static exponential atmospheric model and the more complex Jacchia-Bowman 2008 model. The former has lower computational costs but does not consider solar cycles and geomagnetic events, which may result in inaccurate estimations of the ASO population. Additionally, the orbital capacity is evaluated using three different metrics: the number-time product, the cumulative criticality of spacecraft index, and the risk index. Lastly, the study conducts a sensitivity analysis on the low-thrust acceleration magnitude and the number of satellites launched, followed by an optimization algorithm that determines the optimal injection orbit altitude to maximize the number of satellites in orbit while minimizing debris. Results demonstrated the importance of including orbit transfer maneuvers in the model not to underestimate the actual LEO population and highlights the importance of selecting a suitable injection orbit altitude to avoid dense orbital shells. Overall, this thesis presents a valuable contribution to the field of space environment modeling, providing a novel approach that allows for a better understanding of the challenges faced by the increasing number of anthropogenic space objects in low Earth orbit, while also highlighting the potential for future research and development.

Il crescente numero di Oggetti Spaziali Antropogenici (ASO) previsti per essere lanciati, in particolare mega-costellazioni, rappresenta una minaccia per la sostenibilità dell'orbita terrestre bassa (Low Earth Orbit, LEO). Questa tesi utilizza il Massachusetts Institute of Technology Orbital Capacity Assessment Tool (MOCAT), un modello evolutivo multi-guscio multi-specie fonti-pozzi, per analizzare l'evoluzione degli oggetti in LEO. Viene proposto un nuovo approccio che tiene conto del flusso di oggetti attraverso più gusci durante le manovre di trasferimento orbitale, il che aumenta il rischio di collisioni e creazione di detriti. Una versione ad alta fedeltà del MOCAT è stata sviluppata per includere satelliti attivi, derelitti, detriti e lanciatori, oltre a dividere i satelliti attivi in tre sottocategorie che rappresentano diverse fasi della loro vita: satelliti in fase di salita, satelliti operativi e satelliti in fase di discesa. I satelliti in fase di salita sono quelli che manovrano dall'orbita di immissione all'orbita operativa, i satelliti operativi sono quelli che svolgono i compiti di missione e i satelliti in fase di discesa o deorbitanti manovrano per rientrare nell'atmosfera alla fine della loro vita. Il modello MOCAT propaga gli ASO come specie usando un sistema di equazioni differenziali ordinarie, dividendo l'ambiente LEO in gusci sferici concentrici per orbite quasi circolari. Gli oggetti possono essere aggiunti tramite nuovi lanci o collisioni, indicati come fonti, mentre gli oggetti vengono rimossi attraverso lo smaltimento post-missione e la resistenza atmosferica, indicati come pozzi. Il flusso di oggetti viene modellato utilizzando una legge di controllo a bassa spinta applicata continuamente, risultando in una traiettoria di trasferimento a spirale, che aumenta la densità orbitale di un guscio specifico. Lo studio si propone di indagare l'evoluzione dell'ambiente spaziale confrontando diversi modelli MOCAT con o senza manovre di trasferimento orbitale. I risultati mostrano che l'inclusione di tali manovre porta a un numero maggiore di collisioni e detriti in orbita. Lo studio presenta anche un confronto tra il modello atmosferico esponenziale statico e il più complesso modello Jacchia-Bowman 2008. Il primo ha costi computazionali inferiori ma non considera i cicli solari e gli eventi geomagnetici, che possono comportare stime imprecise della popolazione. Inoltre, la capacità orbitale viene valutata utilizzando tre diverse metriche: il prodotto numero-tempo, l'indice di criticità cumulativa del veicolo spaziale e l'indice di rischio. Infine, lo studio conduce un'analisi di sensibilità sulla magnitudo dell'accelerazione a bassa spinta e sul numero di satelliti lanciati, seguita da un algoritmo di ottimizzazione che determina l'altitudine ottimale dell'orbita di immisione per massimizzare il numero di satelliti in orbita riducendo al minimo i detriti. I risultati hanno dimostrato l'importanza di includere manovre di trasferimento orbitale nel modello per non sottostimare l'attuale popolazione in LEO e sottolinea l'importanza di selezionare un'altitudine orbitale di immissione adatta per evitare gusci con alta densità orbitale. Nel complesso, questa tesi presenta un prezioso contributo al campo della modellazione dell'ambiente spaziale, fornendo un nuovo approccio che consente una migliore comprensione delle sfide affrontate dal crescente numero di oggetti spaziali antropogenici in LEO, evidenziando anche il potenziale per la ricerca e lo sviluppo futuri.