Implementation of a net device test bed for space debris active removal feasibility demonstration

The space debris issue has become extremely relevant in the last years due to the high number of inactive orbiting objects along operational orbits, and effective solutions to eliminate such debris are currently under investigation. To pursue this aim, this thesis work treats the design and experimentation of a tethered-net and net gun device, intended to shoot a conical or pyramid shaped net dragged by four terminal masses, whose task is to wrap a target debris, which will be later de-orbited exploiting a tether that links the chaser satellite to the net. Being the simulation of a real operational environment (i.e. microgravity) hardly achievable so far, this work is focused on setting up a testing facility to characterize, validate and test the proposed active capture system simulating at the best the orbital operative conditions even in a 1g affected environment. Being the phenomenon very fast, the Earth gravitational field does not influence the deployment dynamics, thus a good match between ground and microgravity tests is possible. The net design, sizing and manufacturing is highlighted, by stressing the choices adopted to stabilize its shape during the flight phase and to withstand loads. Additionally, a technique to evaluate the initial velocity on the terminal masses is presented, validating the simulated results. This parameter, besides influencing heavily the net deployment, should be known with precision in order to make the comparison possible between numerical and experimental simulation. After some insights about the main components and mechanisms making part of the experimental device, and how could they be modified in a space application, an analysis of the net motion through high-speed video imaging is provided. A special focus is put on the trajectory of the net vertices and on the net deployment evolution: this second point is particularly crucial for the maneuver outcome. Finally, the comparison between simulations and experimental results of the net deployment is presented: positive aspects, as well as negative fallouts, of modeling tethered-nets with the mass-spring approach is discussed.

Il problema dei detriti spaziali è diventato estremamente rilevante negli ultimi anni a causa del numero elevato di oggetti orbitanti inattivi lungo orbite d'interesse commerciale e scientifico ed alcune soluzioni efficaci per eliminare tali detriti sono attualmente in via di sviluppo e ricerca. Per perseguire tale obiettivo, questo lavoro di tesi tratta la progettazione e la sperimentazione di un dispositivo composto da una rete, un guinzaglio (o tether) e un cannone spara rete, destinato a lanciare tale rete a forma di piramide o cono trascinata da quattro masse terminali, il cui compito è quello di avvolgere e catturare un bersaglio, la cui orbita sarà in seguito cambiata sfruttando il tether che collega il satellite madre alla rete. A causa delle difficoltà riscontrate per poter sperimentare il sistema in un ambiente operativo verosimile (microgravità), questo lavoro si concentra sullo sviluppo di un impianto di prova per caratterizzare, convalidare e testare il sistema di cattura proposto, simulando al meglio le condizioni operative orbitali, anche in un ambiente affetto da un'accelerazione di gravità pari a 1g. Essendo il fenomeno molto veloce, il campo gravitazionale terrestre non influenza la dinamica del dispiegamento, quindi una buona corrispondenza tra prove a terra e in microgravità può essere possibile. In questo lavoro il progetto, il dimensionamento e la costruzione (tecnologia e manifattura) di tale dispositivo vengono evidenziati, sottolineando le scelte adottate per stabilizzare la sua forma durante la fase di volo e resistere ai carichi. Viene, inoltre, presentata una tecnica per misurare la velocità iniziale delle masse terminali, grazie alla quale i risultati simulati vengono convalidati. Questo parametro, oltre ad influenzare pesantemente il dispiegamento della rete, deve essere conosciuto con precisione in modo da rendere possibile il confronto tra simulazioni numeriche e prove sperimentali. In seguito alla descrizione dei componenti principali e dei meccanismi facenti parte del dispositivo sperimentale, e di come questi potrebbero essere modificati nel progetto di un segmento spaziale vero e proprio, l'analisi del moto della rete viene eseguita utilizzando videometria ad alta velocità. Nel lavoro si fa particolare attenzione alla traiettoria dei vertici della rete e all'evoluzione del suo dispiegamento: questo secondo punto, infatti, è particolarmente importante per il risultato della missione. Infine, viene proposto il confronto tra le simulazioni e i risultati sperimentali: sono discussi e messi in luce sia gli aspetti positivi che quelli negativi, dell'utilizzare un modello dinamico per simulare il dispiegamento di una rete, discretizzandola con molle e masse concentrate.