Refined statistical feasibility assessment of differential drag for collision avoidance within ESA's DRAMA ARES framework

This thesis explores the development and integration of a refined statistical framework to evaluate the effectiveness of differential drag as a propellant-free collision avoidance strategy. Driven by the rapid expansion of the Earth-orbiting population and the specific needs of non-propulsive spacecraft such as CubeSats and small satellites, the research investigates how attitude modulation can be used to vary a satellite’s ballistic coefficient and induce the orbital displacement required to mitigate collision risk. Conducted during an internship at the European Space Agency (ESA), this research centres on the enhancement and application of ESA’s Debris Risk Assessment and Mitigation Analysis (DRAMA)-Assessment of Risk Event Statistics (ARES) tool suite, developing two main methodological contributions. First, the native atmospheric model is replaced by an orbit-averaged density correction derived from NRLMSIS 2.1, accounting for the actual spacecraft trajectory and solar cycle variability. Second, the synthetic covariance database is re vised to remove non-physical discontinuities at altitude bins boundaries, introduced by the discrete binning structure of ARES, through interpolation of the σ3D profiles. Once the refined framework is established and validated, the focus shifts to a large-scale parametric feasibility study conducted across representative spacecraft classes: CubeSat, Small and Large satellites. These cases are analysed in terms of available control authority and altitude dependency, demonstrating that the viability of these manoeuvres is primarily driven by platform modulation capability rather than mass. Ultimately, this work contributes to the development of propellant-less CAMs and provides mission designers with a systematic framework for sizing safety margins within the DRAMA environment. In doing so, it supports the implementation of ESA’s Zero Debris policy by offering a viable risk-reduction alternative for non-propulsive spacecraft in the increasingly congested orbital regimes.

Questa tesi si pone l’obiettivo di sviluppare e integrare un framework analitico finalizzato a valutare l’efficacia dell’utilizzo della resistenza aerodinamica differenziale come strategia di mitigazione del rischio di collisione senza l’impiego di propellente. Questa tecnica, di crescente interesse per la gestione di satelliti privi di sistemi propulsivi attivi, si basa sulla modulazione dell’assetto del satellite per variarne il coefficiente balistico e indurre uno spostamento orbitale lungo la traccia sufficiente a ridurre la probabilità di collisione al di sotto delle soglie di sicurezza. Svolta durante un tirocinio all’ESA, questa ricerca si concentra sul potenziamento e sull’applicazione della suite di strumenti DRAMA/ARES, apportando due contributi principali. In primo luogo, l’introduzione di un modello atmosferico ad alta fedeltà derivato da NRLMSIS 2.1, che integra una correzione della densità mediata sull’orbita per riflettere accuratamente la variabilità del ciclo solare e della traiettoria. In secondo luogo, viene discussa la revisione del database delle covarianze sintetiche finalizzata ad eliminare le discontinuità numeriche non fisiche, introdotte dalla struttura discreta di ARES, attraverso l’interpolazione dei profili σ3D. Una volta completato il raffinamento del framework, l’attenzione viene riposta in uno studio di fattibilità parametrico condotto su tre classi rappresentative di satelliti. I risultati vengono analizzati in termini di autorità di controllo disponibile, evidenziando come la fattibilità della manovra dipenda dalla capacità di modulazione della piattaforma piuttosto che dalla sua massa. Questa tesi contribuisce direttamente all’iniziativa Zero Debris dell’ESA, fornendo un quadro analitico per valutare la fattibilità di manovre correttive basate puramente sulla fisica orbitale e sull’interazione con l’atmosfera terrestre, offrendo un’alternativa pratica bile di riduzione del rischio in orbita bassa, sempre più congestionata.