Strategies for safe operations of removal and servicing missions in low Earth orbit

The space sector, as in many technology fields, is rapidly evolving lately. \gb{Similarly}, the sustainability challenge is presenting itself also in the space \gb{domain}. A paradigm shift from the one-use satellite platforms towards reusability and servicing is set to improve the advantages of space exploitation. Moreover, the sustainability of space activities is challenged by the growth of in-orbit debris, which is essentially creating risks for current and future missions to operate safely in orbit. Answers to these all-around challenges have been proposed within the space community at every level, starting from the technological advancements in rocket reusability, to mitigation guidelines and rules for end-of-life responsible disposal operations for debris mitigation. Within the realm of solutions to sustainability problems in space, the implementation of in-orbit servicing and active debris removal mission architectures have been studied by the space community and received great attention in the last few years. The former guarantees the reusability of the in-orbit platform after failure or extension of these services provided through repair, refuelling etc. and will benefit the feasibility of future missions in terms of cost per service and also design reliability. The active debris removal mission is instead explored to remove high-risk objects and avoid the uncontrolled proliferation of debris in space. Despite the strong interest in this innovative solution, only a few notable examples of successful applications are present in literature for servicing satellites, while no mission has been performed yet to remove a debris object from space. Several challenges have slowed down the development of this mission, and are closely related to the complex operations that the servicer satellites must perform in proximity to the objects to be serviced. One of the main challenges arises from the requirements of safety and autonomy of the proximity phases, which will require in general a complex scenario. This work addresses these specific challenges of servicing and removal missions, which are identified as crucial for the advancement in this sector and judged as an enabler for future systematic applications of the operations within the new in-orbit space ecosystem. The study focuses on low Earth orbit applications, the main interest for \gb{removal} mission architectures. These challenges are addressed firstly considering the problem at the mission planning level, where for example for removal missions an index-based target selection and mission design is developed to account for the interest of its removal and also the feasibility and safety of capture. Subsequently, the design of guidance and control strategies for the proximity operations phases envisioned within a servicing and removal mission is studied, addressing novel developments which prioritize the safety of operations and improve their robustness. Among these phases, far-range and close-range rendezvous trajectory planning and guidance navigation and control are dealt with, tackling the challenges of angles-only observability in the former and improved flight safety in the latter. For both scenarios, the passive abort safety concept is extensively used and applied to guarantee trajectory robustness and collision avoidance concerning any major failure of the servicer satellite. Convex formulations of the trajectory planning problems are developed and \gb{selected} to enable autonomous operations. Moreover, a motion planning algorithm for the inspection phase is devised, which can guarantee passive abort safety while optimising for the information cost, a metric that quantifies the quality of inspection observations performed with an onboard camera. Once the target is characterised, it may happen that its rotational state does not allow for safe capture operations. This complication is considered and mitigated in this work by designing a contactless plume impingement strategy which slows down the rotation of the uncontrolled debris while operating in a safe manner. Lastly, this work presents the application of these concepts to the phase A design of the SpEye mission, funded by the Agenzia Spaziale Italiana (ASI). As a result, this dissertation introduces improvements in the operational safety of strategies involved in IOS and ADR missions. \gb{This work} show the significance of including advanced safety concepts at the early design level in the proximity operations of servicing and removal missions. The doctoral research presented in this thesis has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme as part of project COMPASS (Grant agreement No 679086).

Il settore spaziale, analogamente a molti campi tecnologici, sta vivendo una rapida evoluzione negli ultimi anni. Come in altri settori, la sfida della sostenibilità si sta presentando anche nella comunità spaziale. Un cambio di paradigma dai satelliti monouso verso la riutilizzabilità e il servizio in orbita è destinato a ntridurre vantaggi nell'utilizzo delle risorse e servizi derivanti dallo spazio. Inoltre, la sostenibilità delle attività spaziali è messa alla prova dalla crescita dei detriti in orbita, che rappresenta un pericoloso fattore di rischio per le operazioni sicure di satelliti e missioni attualmente operative e pianificate in futuro. Risposte a queste sfide sono state proposte nella comunità spaziale in vari ambiti, partendo dagli avanzamenti tecnologici introdotti da vettori di lancio riutilizzabili, fino alla definizione di linee guida e regole per il corretto smaltimento di satelliti a fine vita. In questi contesti, alcune soluzione alle sfide di sostenibilità dello spazio sono rappresentate da una implementazione di architetture di missioni di servicing in orbita e rimozione attiva dei detriti. Il primo garantisce la riutilizzabilità della piattaforma in orbita dopo il fallimento o l'estensione di questi servizi forniti tramite riparazione, rifornimento, ecc. Questo avvantaggerà sia il costo per servizio fornito dal satellite aumentandone la vita utile e sia ridurrà il requisito di mantenere un elevato fattore di affidabilità progettuale ora di prassi nei sistemi spaziali. Le missioni di rimozione garantiranno invece una risposta di mitigazione alla futura proliferazione dei detriti spaziali provenienti da future collisioni e frammentazioni in orbita. Nonostante il forte interesse verso queste innovative soluzioni, ad oggi solo pochi esempi notevoli di reali applicazioni di attitità di servicing sono presenti, mentre nessuna missione è stata ancora lanciata per rimuovere un detrito dallo spazio. Diverse sfide hanno rallentato lo sviluppo di questa missione e sono strettamente legate alla complessità delle operazioni che le piattaforme devono eseguire in prossimità dei detriti e/o oggetti non controllati. Una delle principali sfide deriva dai requisiti di sicurezza e autonomia delle fasi di prossimità. Questo lavoro di ricerca affronta queste specifiche sfide delle missioni di servicing e rimozione, identificate come cruciali per l'avanzamento in questo settore e considerate come abilitanti per future applicazioni sistematiche delle operazioni all'interno del nuovo ecosistema spaziale in orbita. Lo studio si concentra su applicazioni in orbita terrestre bassa, di primo interesse per queste architetture di missione. Queste sfide sono affrontate innanzitutto considerando il problema a livello di pianificazione della missione, dove è svilluppato per le missioni di rimozioni un sistema di selezione dei detriti basata su indici che tengono conto dell'interesse per la rimozione e della fattibilità e sicurezza di cattura per ogni detrito. Questo è stato quindi incluso in un software di pianificazione di missione di rimozione che comprende diversi detriti. Successivamente, è studiata la progettazione di strategie di guida e controllo per le fasi di operazioni in prossimità previste all'interno di una missione di servicing e rimozione, definendo approcci innovativi che privilegiano la sicurezza delle operazioni e ne migliorano la robustezza. Tra queste fasi, la pianificazione della traiettoria di rendezvous a lungo e breve distanza e la guida navigazione e controllo sono studiate, affrontando rispettivamente le sfide dell'osservabilità basata sulla navigazione angles-only e sulla sicurezza durante il volo. Per entrambi gli scenari, il concetto di sicurezza passiva viene ampiamente utilizzato e applicato per garantire la robustezza della traiettoria in caso di guasti ingenti al satellite che ne precludono il controllo di prossimità. Formulazioni convesse dei problemi di pianificazione della traiettoria sono sviluppate per garantire velicità computazionale e consentire operazioni autonome. In aggiunta, è stato ideato un algoritmo di pianificazione del movimento per la fase di ispezione, che può garantire la sicurezza di aborto passivo ottimizzando il costo delle informazioni, una metrica che quantifica la qualità delle osservazioni di ispezione eseguite con una fotocamera a bordo. Una volta che il bersaglio è caratterizzato, può accadere che il suo stato rotazionale non consenta operazioni di cattura sicure. Questa complicazione è affrontata e proposta una soluzione basata su un controllo senza contatto della rotazione del satellite da catturare attraverso i getti di gas provenienti dai razzi di controllo del satellite di servizio. Infine, questo lavoro presenta l'applicazione di questi concetti alla progettazione della fase A della missione SpEye, finanziata dall'Agenzia Spaziale Italiana (ASI). Per concludere, questa tesi introduce miglioramenti nella sicurezza operativa delle strategie coinvolte nelle missioni IOS e ADR. Queste strategie e le loro applicazioni all'interno di questa ricerca mostrano l'importanza di includere concetti avanzati di sicurezza nelle prime fasi di progettazione nelle operazioni di prossimità delle missioni di servicing e rimozione. La ricerca contenuta in questa tesi di dottorato è stata finanziata dal European Research Council (ERC), sotto il programma European Union’s Horizon 2020 research and innovation come parte del progetto COMPASS (Grant agreement No 679086).