Grabbing system for a reusable transport docking module for space debris removal : development of a mathematical model for the pin-cone system

Space debris constitutes one of the main risks caused by the space environment to any spacecraft orbiting in the Earth. Several studies have concluded that the most hazardous region is located from 800 to 1000 km of altitude, being the large objects considered as the most dangerous source of future instabilities in LEO environment. In this direction, Omsk State Technical University (OmSTU) is working in the frame of an Active Debris Removal System (ADRS). The studies are oriented to the adaptation of launcher upper stages in order to enable the capture and de-orbiting of rocket bodies after primary payload deployment. The target debris would be Space Launched Vehicle last stages Separated Parts (SP) like Cosmos-3M. The Active Debris Removal System under study is based on a reusable transport docking module, provided of a propulsion engine (US Volga or US Fregat) to approach the debris object’s orbit in a far-guidance maneuver and performing the final de-orbit burn, a tethered space micro-tug to perform the close-range rendezvous, and a docking system to establish a physical connection with the debris object. The object of study of this paper will be focused on the previously selected “pin-nozzle cone” as grabbing system, which consists on a pin located on the SMT that contacts the propulsive nozzle surface of the SP. The sliding motion of the pin through the nozzle will be studied and analyzed. The idea is that once the pin has reached the combustion chamber, an “umbrella” type mechanism will correct some misalignments that might exist. A study of the feasibility of this method will be developed. Parametric studies based on the mathematical model will be obtained using Simulink, in order to get the area of admissible boundaries of initial conditions for a successful and stable docking. The resulting boundaries are the initial data for the final terms of accuracy to the stage of near and far guidance process.

La possibilità di impatto con i numerosi detriti spaziali (space debris) in orbita intorno alla Terra, rappresenta uno dei maggiori rischi legati all’ambiente spaziale per satelliti e veicoli spaziali. Secondo i più recenti studi, la zona più a rischio si colloca tra 800 e 1000 km di altitudine, dove gli oggetti più grandi sono considerati come la più pericolosa causa di future instabilità in ambiente LEO. La Omsk State Technical University (OmSTU) sta lavorando in questa direzione, in particolare nel campo di Active Debris Removal System (ADRS). Gli studi sono orientati verso l’inclusione di un sistema di cattura e de-orbiting negli stadi superiori di un lanciatore, dopo il rilascio del payload primario. Il debris considerato come target, è l’ultimo stadio di Space Launched Vehicle a Separated Parts (SP) come Cosmos-3M. Il sistema di rimozione attivo dei debris considerato, si compone di un modulo riutilizzabile per il docking, provvisto di un motore (US Volga or US Fregat) utilizzato per l’approccio dell’orbita del debris in una prima fase di avvicinamento (far-range) e per fornire il delta-v finale per il de-orbit, di un micro-rimorchiatore munito di un cavo per l’ultima fase di avvicinamento (close-range) e infine del sistema di docking, per approcciare e stabilire una connessione fisica con il debris. Lo studio qui proposto considera il “pin-nozzle cone”, precedentemente selezionato, come sistema di ancoraggio. Il sistema consiste in un perno situato nel STM, a contatto con la superficie dell’ugello del SP. Il movimento di scorrimento the perno lungo l’ugello viene studiato ed analizzato. Una volta che il perno raggiunge la camera di combustione, l’idea consiste nell’attivazione di un meccanismo ad “ombrello” per correggere eventuali disallineamenti. Lo studio di fattibilità è stato svolto per questo metodo. Studi parametrici, basati sul modello matematico sono ottenuti con l’aiuto di Simulink, avendo come obiettivo quello di stabilire i limiti e di ottenere un set di condizioni iniziali per effettuare in modo sicuro e stabile l’operazione di docking. I risultati ottenuti rappresentano le condizioni iniziali per le fasi di avvicinamento.