Dynamical evolution of artificial satellites and space debris in near earth region

Abstract

In this study, we perform a complete, dynamical cartography of the dynamics of satellites and space debris in the near Earth space, by using detailed numerical simulations. The aim of this study is the investigation of natural reentry highways in the Earth's atmosphere that could be used for passive space debris mitigation, and the deeper understanding of the dynamics of the region. For the detailed cartography of the circumterrestrial phase space the numerical propagation and analysis of millions of fictitious orbits is necessary, using a suitable dynamical model that considers the main physics that affect satellites (Earth oblateness, lunisolar perturbations, solar radiation pressure, and atmospheric drag). We present the most complete to date dynamical atlas of the entire usable circumterrestrial space in orbital elements (a, e, i), characterizing the long-term dynamical behavior of Earth satellites from LEO to GEO and beyond. We find that the circumterrestrial space is smooth for low and high inclinations, but the most interesting and complex dynamical behavior appears for moderate-to-high inclinations, due to the overlapping of the lunisolar resonances. When augmented area-to-mass ratio values are assumed, useful dynamical hatches appear close to the upper limit of LEO protected region, which could be considered in designing disposal strategies. A more detailed study in the GTO regime shows that there is strong dependence on initial perigee altitude, as also on the area-to-mass value and drag, especially in low inclinations. The more detailed study around the MEO/GNSS regime, shows that the number of reentry solutions seems to maximize around three particular inclination zones (around i=46, 56, and 68deg), and the mean dynamical lifetime (i.e., the time span needed to reach at Earth's surface) of reentry orbits minimizes. Additionally, a dedicated study for the graveyard regions around the four GNSS constellations reveals that around 13-20% of the initial population is stable for at least 200yr. Finally, we used the dynamical atlas to find optimal reentry and graveyard solutions that could be reached with suitable engine-driven maneuvers, starting from a typical GNSS orbit. According to our study, reentry solutions that can be approached with velocity change (ΔV) lower than 300m/s have lifetimes longer that 70yr, while graveyard solutions can be easily targeted with ΔV of 5-40m/s.

Σε αυτή την διδακτορική διατριβή, γίνεται πλήρης χαρτογράφηση της δυναμικής εξέλιξης δορυφόρων στο εγγύς διαστημικό περιβάλλον για χρονική κλίμακα εκατοντάδων ετών, με τη χρήση λεπτομερών αριθμητικών προσομοιώσεων. Σκοπός της εργασίας είναι ο εντοπισμός φυσικών διόδων (τροχιών) επανόδου δορυφόρων στην ατμόσφαιρα της Γης, που θα μπορούσαμε να εκμεταλλευτούμε ώστε να μετριαστεί το πρόβλημα των διαστημικών καταλοίπων, και βέβαια η κατανόηση των δυναμικών μηχανισμών που οδηγούν στην ύπαρξή τους. Η λεπτομερής χαρτογράφηση ολόκληρης της τροχιακής περιοχής γύρω από τη Γη απαιτεί την αριθμητική ολοκλήρωση και ανάλυση δεκάδων εκατομμυρίων δυνητικών τροχιών, σε κατάλληλο δυναμικό μοντέλο που λαμβάνει υπόψη του τις κύριες δυνάμεις που επιδρούν πάνω στους δορυφόρους (βαρυτικές διαταραχές από τη Σελήνη και τον Ήλιο, πίεση της ηλιακής ακτινοβολίας και αεροδυναμική τριβή στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας). Παρουσιάζουμε τον πιο πλήρη μέχρι στιγμής δυναμικό άτλαντα ολόκληρου του χρησιμοποιήσιμου εγγύς διαστημικού περιβάλλοντος με βάση τα στοιχεία της τροχιάς (a, e, i), χαρακτηρίζοντας την μακρόχρονη δυναμική συμπεριφορά των τεχνητών δορυφόρων της Γης από την περιοχή των LEO μέχρι την περιοχή των GEO και πιο πέρα. Βρήκαμε ότι ο εγγύς διαστημικός χώρος των φάσεων δεν παρουσιάζει ιδιαίτερο δυναμικό ενδιαφέρον για χαμηλές και υψηλές τιμές κλίσεων, ενώ οι πιο ενδιαφέρουσες και περίπλοκες δυναμικές συμπεριφορές παρατηρούνται για μεσαίες προς υψηλές τιμές κλίσεων, εξαιτίας της αλληλεπικάλυψης των συντονισμών με την Σελήνη και τον Ήλιο που διασχίζουν τον χώρο. Όταν ληφθούν υπόψη μεγάλες τιμές του λόγου μάζα-προς-επιφάνεια, χρήσιμα δυναμικά διάκενα εμφανίζονται κοντά στο ανώτερο άκρο της προστατευόμενης περιοχής των LEO, που θα μπορούσε να ληφθεί υπόψη κατά το σχεδιασμό επανόδου ενός δορυφόρου στην επιφάνεια της Γης. Μια πιο λεπτομερή μελέτη στην περιοχή των GTO δείχνει ότι υπάρχει ισχυρή εξάρτηση από το αρχικό ύψος του περιγείου, καθώς επίσης και από τον λόγο μάζα-προς-επιφάνεια και την τριβής της ατμόσφαιρας, κυρίως σε χαμηλές κλίσεις. Η πιο λεπτομερής μελέτη γύρω από την περιοχή των MEO/GNSS δείχνει ότι το ποσοστό των αντικειμένων που κάνει επάνοδο στην ατμόσφαιρα της Γης μεγιστοποιείται γύρω από τρεις συγκεκριμένες ζώνες κλίσεων (i=46, 56 και 68 μοίρες), και ο μέσος χρόνος ζωής (ή ο χρόνος που χρειάζεται για να φτάσει στην επιφάνεια της Γης) ελαχιστοποιείται. Επιπλέον, μια ειδική μελέτη για τις περιοχές-νεκροταφεία γύρω από τις τέσσερις ομάδες GNSS αποκαλύπτει ότι περίπου το 13-20% του αρχικού πληθυσμού είναι σταθερό για τουλάχιστον 200έτη. Τέλος, χρησιμοποιήσαμε τον δυναμικό άτλαντα για να βρούμε βέλτιστες λύσεις σε τροχιές επανεισόδου και τροχιές σε περιοχές-νεκροταφεία που θα μπορούσαν να επιτευχθούν με κατάλληλους ελιγμούς με χρήση κινητήρα, ξεκινώντας από μια τυπική τροχιά GNSS. Σύμφωνα με τη μελέτη μας, οι τροχιές επανεισόδου που μπορούν να προσεγγιστούν με αλλαγή ταχύτητας (ΔV) μικρότερη από 300m/s έχουν διάρκεια ζωής μεγαλύτερη από 70έτη, ενώ οι τροχιές σε περιοχές-νεκροταφεία μπορούν εύκολα να προσεγγιστούν με ΔV μεταξύ 5-40m /s.