Flexible devices for active space debris removal : the net simulation tool

Space debris mitigation and remediation are urgent and growing issues to be faced for the future of space operations and exploitation durability. The Active Debris Removal topic focuses on trading-off, designing and building up mechanisms to be mounted on board of active chasers that can rendezvous and interact with uncooperative tumbling targets, either transferring them on a graveyard orbit or ensuring a safe disposal. In contrast to rigid capture mechanisms, tethered-net solutions are characterized by a safe capturing distance, a passive angular momentum damping effect and the highest flexibility to whichever unknown shape, material and attitude of the target to interface with. This thesis work provides a complete physically based mathematical model (NeST), to simulate the entire multibody system dynamics during the capture and the disposal, in order to support the system design. A particular attention is put on the flexibility and interfaceability of the simulator to whichever user defined inputs and external third-party software. Noteworthy is the built-it collision detection and contact algorithms, optimized ad-hoc to increase the simulator performance. Further numerical and model optimizations are presented and validated, analyzing their impact on the precision and the benefits on the computational speed. The simulator is finally numerically validated and an intensive analysis campaign is done to characterize the tether-net system dynamics, with the ultimate aim of scaled tests in micro gravity environments. Results of the capture analyses in the real operative scenario let to appreciate the higher fidelity level to the physics of the problem, compared to the simplified simulators available. The energy dissipated at contact, able to passively reduce both the linear and the angular momentum content of the tumbling target, is a definitive example of the great role played by this numerical tool. These performances could not be otherwise predicted with such precision. This confirms the importance of NeST for this ADR concept, to pave the way in the international Clean Space initiative trade-off.

La mitigazione e la riduzione del numero di detriti spaziali rappresentano questioni urgenti da affrontare per poter garantire il futuro dello spazio e il suo utilizzo. La rimozione attiva dei detriti richiede fasi di studio, scelta della tecnologia e il suo sviluppo. Tali sistemi vengono progettati per essere montati su satelliti controllati, in grado di raggiungere oggetti non cooperanti e con assetto talvolta difficile da prevedere e infine garantire il loro trasferimento in un orbita cimitero o un completo rientro controllato in atmosfera. Differentemente dai sistemi rigidi, la soluzione cavo-rete garantisce un’interazione a distanza, uno smorzamento passivo dell’oscillazione, ma soprattutto la massima flessibilità di azione per qualsiasi forma, materiale e assetto del detrito. Questo lavoro ha come obiettivo la costruzione di un modello matematico completo (NeST), in grado di ben rappresentare tutte le dinamiche in gioco nelle fasi di cattura e rientro in atmosfera, poi integrato in un simulatore per supportare le fasi di progetto del sistema. Un’attenzione particolare è data alla fase di collisione e contatto della rete, in questo lavoro vengono presentate diverse strategie numeriche progettate specificatamente per ottimizzare le prestazioni, in termini di precisione e velocità di integrazione. Viene data inoltre una struttura modulare al codice in modo da potersi interfacciare con il più generico ingresso deciso dall’utente ed eventuali librerie esterne in sostituzione di ogni modello. Viene fornito un piano di validazione numerica e sperimentale. Per supportare quest’ultima, è stata fatta un’approfondita analisi di caratterizzazione del sistema rete sia in ambiente operativo che in microgravità. Dai risultati delle analisi di cattura si può apprezzare la qualità della modellazione e la sua fedeltà alla fisica del problema, soprattutto se confrontati con simulatori attuali disponibili, ben più semplificati. L’energia dissipata dall’interazione di contatto e scivolamento della rete, in grado di smorzare notevolmente il moto non cooperante dell’oggetto, è un esempio del ruolo importante svolto da NeST. Questo lavoro apre così nuove vie per uno studio più approfondito del sistema nel contesto competitivo mondiale Clean Space.