Multidisciplinary design of a net-based device for space debris active removal

The space debris issue has become extremely relevant in the last years due to the high number of inactive flying objects in Low Earth Orbits (LEOs), Medium Earth Orbits (MEOs) and Geostationary Earth Orbit (GEO), and e ffective solutions to remove such debris are currently under investigation. To pursue this aim, this Work proposes a tethered net shaped removal system, called Debris COllecting NEt (D-CoNe), intended to wrap a target debris and successively carry out a disposal operation. Such a solution is safer than a contact-based mechanism, and applicable to a quite large class of di fferently shaped objects. The net-based solution complexity stays in the design, launch and control of its dynamics to robustly assure its correct deployment and target wrapping. To this end, a simulator of the release and capture phase has been built to draw inferences about the dynamical evolution of a net impulsivly launched by an ad-hoc mechanism: a global optimization approach, by means of a Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm, is applied to tune some system parameters of the aforementioned mechanism, directly involved in the dynamics control. Additionally, a complete capture sequence is provided to show the different phases involved in the process, i.e. debris capture, impact, and steady closure around the target. Numerical results drove the set-up of an experimental model assembled to further validate the proposed capture system and its dynamics modeling, as well as highlighting issues which numerical modelization could not take into account. In this sense, after a brief overview of the experimental set-up assembly and some insights about videometry and 3D trajectory reconstruction, a comparison between the numerical and the experimental net motion is provided.

Il problema degli space debris è diventato sempre più rilevante negli ultimi anni a causa dell'alto numero di oggetti volanti inattivi in LEOs, MEOs and GEO, e soluzioni efficaci per rimuovere tali debris sono tuttora sotto analisi. Per cercare di rispondere a questa esigenza, questo Lavoro propone un sistema di rimozione a rete munito di tether, chiamato D-CoNe, il cui obiettivo è quello di avvolgersi attorno ad un debris per poi procedere alla successiva fase di disposal. Tale soluzione è più sicura di una soluzione a contatto diretto, ed è applicabile ad una classe abbastanza ampia di oggetti di forma svariata. La complessità di questa soluzione risiede nel design, lancio e controllo della dinamica per garantire in modo robusto il corretto dispiegamento del dispositivo e cattura del debris. A tale fine, un simulatore della fase di lancio e cattura è stato implementato per poter comprendere in maniera più accurata i fattori fondamentali dell'evoluzione dinamica di una rete impulsivamente lanciata da un meccanismo ad-hoc: un approccio di ottimizzazione globale, tramite algoritmo PSO, è stato utilizzato per settare alcune variabili di sistema del citato meccanismo di lancio direttamente coinvolte nel controllo della dinamica. In aggiunta, una simulazione relativa ad una sequenza di cattura è proposta per mostrarne le fasi principali, i.e. avvolgimento del debris, impatto e chiusura stabile attorno al target. I risultati numerici hanno portato alla necessità di costruire un set-up sperimentale per validare ulteriormente il sistema di cattura proposto e la sua modellazione dinamica, oltre a mettere in rilievo problematiche che la sola modellazione numerica non poteva mettere in luce. In questo senso, dopo una breve trattazione riguardante il set-up sperimentale ed alcuni cenni sulla ricostruzione di traiettorie 3D tramite videometria, un confronto tra l'evoluzione dinamica numerica e sperimentale del sistema di rimozione a rete studiato è proposto.