Re-entry predictions of space objects and impact on air traffic

The constantly increasing number of spaceflights raises the need for a safe and proper management of Earth re-entries. Most of re-entering objects, indeed, experience a complete or partial breakup during their descent in the atmosphere layers, leading to the generation of fragments that could affect the air traffic. This thesis is focused on the analysis of a generic re-entry event and the subsequent impact it has on the local air traffic. In this work two different breakup models, based on already existing fragmentation methods, are proposed and a comparison between them is discussed. Starting from the entry interface, the complete Re-entry Vehicle’s (RV) trajectory is simulated and the physical phenomena assumed to cause the breakup are explained. The post-breakup fragments are then propagated to the Flight Level (FL) of interest where the debris dispersion is evaluated. This thesis also includes a Monte Carlo (MC) analysis that accounts for the vehicle state’s uncertainties and allows a better estimation of the hazard area. Once the hazard area is defined, two different algorithms are implemented to manage the air traffic. According to the aircraft’s position and trajectory, the algorithm studies its re-routing either to evacuate or to avoid the area in time. Starting from real traffic data, a complete scenario is then studied in order to asses how a hypothetical re-entry could affect the air traffic of specific locations at a particular time instant. Aircrafts considered at impact risk are commanded by the algorithms logic.

Il numero sempre crescente di voli spaziali solleva la necessità di una gestione sicura e corretta dei rientri sulla Terra. La maggior parte degli oggetti che rientrano sulla Terra, infatti, subisce una rottura, completa o parziale, durante la discesa attraverso gli strati dell’atmosfera, causando la generazione di frammenti che potrebbero avere ripercussioni sul traffico aereo. Questa tesi è incentrata sull’analisi di un generico rientro dallo spazio e del conseguente impatto sul traffico aereo locale. In questo lavoro vengono proposti due diversi modelli di rottura, basati su metodi di frammentazione già esistenti, e viene discusso un confronto tra di essi. Partendo dall’altitudine di ingresso nell’atmosfera, viene simulata la traiettoria completa del veicolo rientrante e vengono spiegati i fenomeni fisici che si presume causino la rottura. I frammenti post rottura vengono poi propagati alla quota di volo di interesse, dove viene valutata la dispersione dei detriti. Questa tesi include anche un’analisi di Monte Carlo (MC) che tiene conto delle incertezze dello stato del veicolo e consente una migliore stima dell’area di pericolo. Una volta definita l’area di pericolo, vengono implementati due diversi algoritmi per gestire il traffico aereo. In base alla posizione e alla traiettoria dell’aereo, l’algoritmo studia il suo reindirizzamento per evacuare o evitare l’area in tempo utile. Partendo dai dati di traffico reali, viene quindi studiato uno scenario completo per valutare come un ipotetico rientro potrebbe influenzare il traffico aereo di specifiche località in un particolare istante di tempo. I velivoli considerati a rischio di impatto sono direzionati seguendo la logica degli algoritmi.