Flexible systems dynamics for active space debris removal

The increasing number of defunct space objects and the need of keeping clear certain important orbits have encouraged numerous studies on how to manage the space junk. The two main philosophies to tackle the problem are mitigation and remediation. Mitigation aims at reducing the number of new unwanted orbiting bodies while the remediation faces the issue of decreasing the already existing one. Many different solutions have been presented to deorbit space debris. The alternatives are either mechanical or contactless. The work of this thesis is focused on the analysis of the mechanical options, which involve flexible systems like robotic arms, tether and nets. New challenges for the subsystems design arise, especially due to the presence of these flexible elements and connections. Moreover, the captured targets do not cooperate and have a complex, free, not completely known dynamics. In order to cover the currently foreseen system concepts, this work provides numerical tools to take into account any flexibility that affects the coupled dynamics due the presence of flexible devices that are exploited for capture and retention of the debris, such as nets and tethers. Different approaches are presented that allow representing and simulating different phases of a possible mission with different kind of systems. After an extensive preliminary study, the need to resort to a multi-body dynamics approach is evident and recurs, even if differently, in the various approaches used. The thesis shows at first the analysis of the phase in which the deployment of flexible structures from the chaser to the target is performed. A tether and a robotic arm models are presented. The tether is treated as a discretized multi-body system. The constrained multi-body dynamics is reduced from Differential Algebraic Equations to a minimal set of equation formulating an equivalent problem that belongs to a subspace of the original space of solution, found through a numerical procedure. A simplified model of a robotic arm is instead modeled using SimMechanics, with a chain of elements with viscoelastic joints reproducing the flexibility of the structure. Then the post capture phase is addressed. The work done by the author for this part is inserted in a wider project of a MUST for Active Satellite Removal System Modelling that has been developed at Politecnico di Milano in the Department of Aerospace Science and Technologies under an ESA contract. This tool answers the aforementioned needs by providing a fast but accurate simulation environment focused on the deorbiting phase, suited to design guidance and control laws. Flexible Model for tether and nets are described and the contributions to the project are underlined. The effectiveness of the different tools and models is shown via the modelling and analysis of a Active Debris Removal scenario and simulation results are discussed.

Il numero crescente di detriti spaziali, connesso al rischio di rendere inutilizzabili alcune importanti orbite, ha incoraggiato numerosi studi per risolvere queste problematiche. Nell’ambito delle politiche proposte, le filosofie operative sono principalmente due: la mitigazione e la “bonifica”. La prima punta a ridurre il numero di nuovi detriti, mentre la seconda affronta la problematica di far fronte alla moltitudine di oggetti già presenti, rimuovendoli. In questo secondo caso sono state presentate differenti possibilità per eseguire una missione di deorbiting. Il lavoro che viene presentato si concentra sugli scenari in cui è prevista un’interazione meccanica con l’obiettivo. Il lavoro di tesi si concentra sui sistemi meccanici flessibili quali cavi, reti e bracci robotici utilizzati in queste azioni. Nuove sfide si pongono per il design dei sottosistemi quando sono presenti tali elementi non rigidi. La complessità è acuita dal fatto che il target, il detrito da rimuovere, è costituito da un corpo che non coopera all’azione. L’esigenza di valutare le varie ipotesi di sistemi da utilizzare che sono allo studio, è tra le ragioni del presente lavoro. Si vogliono fornire strumenti di simulazione focalizzati sulla valutazione degli elementi flessibili di cui si vorrebbe fare uso in missioni di rimozione attiva di detriti spaziali. Sono presentati differenti approcci di modellazione per valutare le diverse tipologie di dispositivi in analisi. A seguito di un approfondito studio iniziale, la necessità di un approccio di dinamica multi-corpo risulta evidente. L’analisi del dispiegamento di strutture flessibili nella fase in cui il chaser, il satellite attivo, approccia il target, il detrito, è inizialmente affrontata. I modelli di un cavo e un braccio robotico sono presentati. Il tether è modellizzato con una discretizzazione multi-corpo. La dinamica vincolata è ridotta da equazioni algebrico differenziali ad un problema equivalente la cui soluzione appartiene ad un sottospazio della soluzione generale, ricavato attraverso una procedura numerica. Un modello semplificato di braccio robotico è inoltre analizzato. Questo è rappresentato utilizzando l’ambiente di sviluppo SimMechanics in cui catene di corpi sono utilizzate per riprodurre elementi con comportamento viscoelastico. L’analisi è spostata poi sulla fase successiva alla cattura del detrito. Lo strumento di simulazione presentato in questo scenario s’inserisce in un più ampio lavoro condotto dal Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziale per conto dell’Agenzia Spaziale Europea. Il simulatore permette un efficace e accurato studio della fase di deorbiting. I modelli, interamente sviluppati in Matlab/Simulink, estendono le librerie di SimMechanics e permettono all’utilizzatore di costruire un simulatore della dinamica orbitale e di assetto di uno scenario di rimozione attiva di detriti con chaser e target connessi da cavo e rete. I modelli sono infine validati e criticamente discussi e confrontati.