Design analysis of deployable elements for the return of orbital rocket bodies

The increasing number of orbital rocket launches rises collision risks with uncontrolled space objects. Solutions include removing spent rocket bodies and satellites after their end of life, but destructive re-entry, a common disposal method, is not sustainable. It prevents recycling, damages the atmosphere and poses ecological risks. Large structures, including rocket stages, often burns incompletely during uncontrolled re-entry, thus threatening safety on ground. A shift to non-destructive, controlled re-entry for orbital rocket bodies with deployable entry, descend and landing (EDL) technologies offers a solution, enabling recycling or partial reusability, improving environmental sustainability and reducing mission costs. For the upper stage of Ariane 6, two different concepts for a deployable decelerator are developed. One is an umbrella-like decelerator with a flexible cloth stretched by unfolding arms, while the second one is a foldable hot structure decelerator composed of rigid panels. The design for the deployment mechanism of the two systems is developed. Subsequently, based on the results of the re-entry trajectory simulation, with Ansys a structural analysis is performed and it is investigated whether the design can withstand the mechanical loads generated by the maximum dynamic pressure. For the umbrella concept the focus is on a single arm of the deployment mechanism, while for the rigid panel decelerator the system analyzed is the single panel and the deploying strut. Finally, for rigid panel concept a thermal analysis is performed to understand the temperature distribution on the nose of the upper stage, and the static stability of the spacecraft during re-entry is discussed. The efforts made to investigate aerodynamic stability of the body are explained, revealing the lack of available informations needed to validate the results obtained with an analytical method. This leads to the conclusion that more precise CFD analyses are necessary to investigate static stability, in addition to a more detailed design development of specific components of the architecture in a future step of the design analysis.

Il crescente numero di lanci orbitali aumenta il rischio di collisione con detriti spaziali. Alcune soluzioni prevedono la rimozione di razzi esausti e satelliti alla fine della loro vita operativa, ma un rientro distruttivo, metodo comunemente usato, non è sostenibile. Impedisce il riciclo, danneggia l’atmosfera e comporta rischi ecologici. Strutture di grandi dimensioni, tra cui i lanciatori, spesso non si disintegrano completamente durante un rientro incontrollato, costituendo perciò una minaccia per la sicurezza. Un passaggio ad un rientro controllato e non distruttivo per gli stadi orbitali dei lanciatori, includendo sistemi di rientro dispiegabili, offre una soluzione che promuove il riciclo o il riutilizzo parziale, aumenta la sostenibilità ambientale e riduce i costi. Per lo stadio superiore di Ariane 6, sono sviluppati due diversi concept di deceleratori dispiegabili. Il primo è costituito da una copertura flessibile tesa da aste rigide, mentre il secondo è composto da pannelli rigidi. Per i due sistemi, il design del meccanismo di dispiegamento è sviluppato, e in seguito è eseguita una analisi statica in Ansys per indagare se la struttura possa sostenere i carichi meccanici di pressione dinamica ottenuta simulando una traiettoria di rientro. Per il primo modello la struttura analizzata è una singola asta della struttura di dispiegamento del telo flessibile, mentre per il secondo sistema è un singolo pannello e l’asta di dispiegamento. Infine, per il design a pannelli è stata eseguita una analisi termica per investigare la distribuzione di temperatura nella parte frontale dello stadio superiore ed è stata discussa la stabilità statica del razzo durante il rientro. Vengono spiegati gli sforzi fatti per indagare la stabilità aerodinamica, rivelando una mancanza di informazioni disponibili, necessarie per validare i risultati ottenuti mediante un metodo analitico. Ciò porta alla conclusione che sono necessarie analisi CFD più dettagliate per studiare la stabilità statica, oltre ad uno sviluppo più approfondito del design di alcuni componenti specifici con un ulteriore sviluppo del progetto.