Bare-tape scaling laws for de-orbit missions in a space debris environment

El entorno espacial actual hay un gran numero de micro-meteoritos y basura espacial generada por el hombre, lo cual plantea un riesgo para la seguridad de las operaciones en el espacio. La situación se agrava continuamente a causa de las colisiones de basura espacial en órbita, y los nuevos lanzamientos de satélites. Una parte significativa de esta basura son satélites muertos, y fragmentos de satélites resultantes de explosiones y colisiones de objetos en órbita. La mitigación de este problema se ha convertido en un tema de preocupación prioritario para todas las instituciones que participan en operaciones espaciales. Entre las soluciones existentes, las amarras electrodinámicas (EDT) proporcionan un eficiente dispositivo para el rápido de-orbitado de los satélites en órbita terrestre baja (LEO), al final de su vida útil. El campo de investigación de las amarras electrodinámicas (EDT) ha sido muy fructífero desde los años 70. Gracias a estudios teóricos, y a misiones para la demostración del funcionamiento de las amarras en órbita, esta tecnología se ha desarrollado muy rápidamente en las últimas décadas. Durante este período de investigación, se han identificado y superado múltiples problemas técnicos de diversa índole. Gran parte del funcionamiento básico del sistema EDT depende de su capacidad de supervivencia ante los micro-meteoritos y la basura espacial. Una amarra puede ser cortada completamente por una partícula cuando ésta tiene un diámetro mínimo. En caso de corte debido al impacto de partículas, una amarra en sí misma, podría ser un riesgo para otros satélites en funcionamiento. Por desgracia, tras varias demostraciones en órbita, no se ha podido concluir que este problema sea importante para el funcionamiento del sistema. En esta tesis, se presenta un análisis teórico de la capacidad de supervivencia de las amarras en el espacio. Este estudio demuestra las ventajas de las amarras de sección rectangular (cinta), en cuanto a la probabilidad de supervivencia durante la misión, frente a las amarras convencionales (cables de sección circular). Debido a su particular geometría (longitud mucho mayor que la sección transversal), una amarra puede tener un riesgo relativamente alto de ser cortado por un único impacto con una partícula de pequeñas dimensiones. Un cálculo analítico de la tasa de impactos fatales para una amarra cilindrica y de tipo cinta de igual longitud y masa, considerando el flujo de partículas de basura espacial del modelo ORDEM2000 de la NASA, muestra mayor probabilidad de supervivencia para las cintas. Dicho análisis ha sido comparado con un cálculo numérico empleando los modelos de flujo el ORDEM2000 y el MASTER2005 de ESA. Además se muestra que, para igual tiempo en órbita, una cinta tiene una probabilidad de supervivencia un orden y medio de magnitud mayor que una amarra cilindrica con igual masa y longitud. Por otra parte, de-orbitar una cinta desde una cierta altitud, es mucho más rápido, debido a su mayor perímetro que le permite capturar más corriente. Este es un factor adicional que incrementa la probabilidad de supervivencia de la cinta, al estar menos tiempo expuesta a los posibles impactos de basura espacial. Por este motivo, se puede afirmar finalmente y en sentido práctico, que la capacidad de supervivencia de la cinta es bastante alta, en comparación con la de la amarra cilindrica. El segundo objetivo de este trabajo, consiste en la elaboración de un modelo analítico, mejorando la aproximación del flujo de ORDEM2000 y MASTER2009, que permite calcular con precisión, la tasa de impacto fatal al año para una cinta en un rango de altitudes e inclinaciones, en lugar de unas condiciones particulares. Se obtiene el numero de corte por un cierto tiempo en función de la geometría de la cinta y propiedades de la órbita. Para las mismas condiciones, el modelo analítico, se compara con los resultados obtenidos del análisis numérico. Este modelo escalable ha sido esencial para la optimización del diseño de la amarra para las misiones de de-orbitado de los satélites, variando la masa del satélite y la altitud inicial de la órbita. El modelo de supervivencia se ha utilizado para construir una función objetivo con el fin de optimizar el diseño de amarras. La función objectivo es el producto del cociente entre la masa de la amarra y la del satélite y el numero de corte por un cierto tiempo. Combinando el modelo de supervivencia con una ecuación dinámica de la amarra donde aparece la fuerza de Lorentz, se elimina el tiempo y se escribe la función objetivo como función de la geometría de la cinta y las propietades de la órbita. Este modelo de optimización, condujo al desarrollo de un software, que esta en proceso de registro por parte de la UPM. La etapa final de este estudio, consiste en la estimación del número de impactos fatales, en una cinta, utilizando por primera vez una ecuación de límite balístico experimental. Esta ecuación ha sido desarollada para cintas, y permite representar los efectos tanto de la velocidad de impacto como el ángulo de impacto. Los resultados obtenidos demuestran que la cinta es altamente resistente a los impactos de basura espacial, y para una cinta con una sección transversal definida, el número de impactos críticos debidos a partículas no rastreables es significativamente menor. ABSTRACT The current space environment, consisting of man-made debris and tiny meteoroids, poses a risk to safe operations in space, and the situation is continuously deteriorating due to in-orbit debris collisions and to new satellite launches. Among these debris a significant portion is due to dead satellites and fragments of satellites resulted from explosions and in-orbit collisions. Mitigation of space debris has become an issue of first concern for all the institutions involved in space operations. Bare electrodynamic tethers (EDT) can provide an efficient mechanism for rapid de-orbiting of defunct satellites from low Earth orbit (LEO) at end of life. The research on EDT has been a fruitful field since the 70’s. Thanks to both theoretical studies and in orbit demonstration missions, this technology has been developed very fast in the following decades. During this period, several technical issues were identified and overcome. The core functionality of EDT system greatly depends on their survivability to the micrometeoroids and orbital debris, and a tether can become itself a kind of debris for other operating satellites in case of cutoff due to particle impact; however, this very issue is still inconclusive and conflicting after having a number of space demonstrations. A tether can be completely cut by debris having some minimal diameter. This thesis presents a theoretical analysis of the survivability of tethers in space. The study demonstrates the advantages of tape tethers over conventional round wires particularly on the survivability during the mission. Because of its particular geometry (length very much larger than cross-sectional dimensions), a tether may have a relatively high risk of being severed by the single impact of small debris. As a first approach to the problem, survival probability has been compared for a round and a tape tether of equal mass and length. The rates of fatal impact of orbital debris on round and tape tether, evaluated with an analytical approximation to debris flux modeled by NASA’s ORDEM2000, shows much higher survival probability for tapes. A comparative numerical analysis using debris flux model ORDEM2000 and ESA’s MASTER2005 shows good agreement with the analytical result. It also shows that, for a given time in orbit, a tape has a probability of survival of about one and a half orders of magnitude higher than a round tether of equal mass and length. Because de-orbiting from a given altitude is much faster for the tape due to its larger perimeter, its probability of survival in a practical sense is quite high. As the next step, an analytical model derived in this work allows to calculate accurately the fatal impact rate per year for a tape tether. The model uses power laws for debris-size ranges, in both ORDEM2000 and MASTER2009 debris flux models, to calculate tape tether survivability at different LEO altitudes. The analytical model, which depends on tape dimensions (width, thickness) and orbital parameters (inclinations, altitudes) is then compared with fully numerical results for different orbit inclinations, altitudes and tape width for both ORDEM2000 and MASTER2009 flux data. This scalable model not only estimates the fatal impact count but has proved essential in optimizing tether design for satellite de-orbit missions varying satellite mass and initial orbital altitude and inclination. Within the frame of this dissertation, a simple analysis has been finally presented, showing the scalable property of tape tether, thanks to the survivability model developed, that allows analyze and compare de-orbit performance for a large range of satellite mass and orbit properties. The work explicitly shows the product of tether-to-satellite mass-ratio and fatal impact count as a function of tether geometry and orbital parameters. Combining the tether dynamic equation involving Lorentz drag with space debris impact survivability model, eliminates time from the expression. Hence the product, is independent of tether de-orbit history and just depends on mission constraints and tether length, width and thickness. This optimization model finally led to the development of a friendly software tool named BETsMA, currently in process of registration by UPM. For the final step, an estimation of fatal impact rate on a tape tether has been done, using for the first time an experimental ballistic limit equation that was derived for tapes and accounts for the effects of both the impact velocity and impact angle. It is shown that tape tethers are highly resistant to space debris impacts and considering a tape tether with a defined cross section, the number of critical events due to impact with non-trackable debris is always significantly low.

La espacialidad del encuentro. Análisis de las comunidades de los conjuntos habitacionales modernos en el caso chileno del Gran Valparaíso

La producción habitacional moderna chilena del siglo xx proporcionó modelos valiosos en los que abundaban espacios proclives al encuentro de la comunidad que, además, han logrado perdurar en el tiempo. Sin embargo, el estado de degradación en que se encuentran algunos de estos conjuntos ha puesto en entredicho sus cualidades efectivas para resolver el problema de la vivienda, tanto por su racionalidad excesiva como por su escasa capacidad para acoger los modos de vida propios de sus habitantes. A día de hoy, ante la masificación indiscriminada del mercado inmobiliario, cabe plantearse una mirada retrospectiva hacia algunos de estos conjuntos que mediaron entre la renovación y la realidad local preexistente, como ocurrió en algunos contextos geográficos complejos como el ‘Gran Valparaíso’. Las ciudades de Valparaíso y Viña del Mar destacan por su peculiar morfología urbana entre planicie y cerros, conformada tanto por construcciones espontáneas como planificadas, generalmente adaptadas a la geografía. La aparición de nuevos modelos en altura en los cerros tuvo consecuencias significativas para la escala del barrio y la ciudad, como la apropiación del patrimonio común de los ciudadanos —la vista hacia el paisaje de la bahía— y un cierto descontrol en las relaciones entre lo construido y su entorno inmediato. Dicha situación se tradujo en la deshumanización de los espacios colectivos y la pérdida del ‘sentido de lo comunitario’, dos situaciones propias del habitar local. Sin embargo, algunos conjuntos modernos dieron importancia a este tipo de espacios, que utilizaron como complemento a los reducidos recintos comunes de la unidad habitacional. Así, mediante la integración de circulaciones, espacios comunitarios y dotaciones, se estimuló la ‘comunidad’ y se favoreció la relación socio-espacial entre la vecindad y el barrio. El hecho de que en su implantación recogiesen cualidades locales —o no— requiere de un estudio más exhaustivo, especialmente en lo que toca a los modos de vida asociados. Esta tesis presenta la trayectoria y el proceso de desarrollo comunitario de siete conjuntos habitacionales modernos construidos en Valparaíso y Viña del Mar. Una evolución que estuvo impulsada por las cualidades formales y funcionales de los espacios comunes, profundamente arraigados al lugar. A través de un análisis retrospectivo de los ámbitos de encuentro y la trayectoria de la vida cotidiana, y construido desde la documentación junto con los recuerdos de los habitantes originarios, este trabajo revisa el estado actual de dichos conjuntos, sus singularidades y los cambios que han experimentado en el tiempo. ABSTRACT The twentieth century’s Chilean modern housing production has provided valuable models in which abounded spaces likely to community encounter, that also have managed to survive over time. However, some modern housing complexes exhibit an evident state of deterioration, that contradicts their characteristics for solving housing problems, both for its excessive rationality as their limited capacity to accommodate the ways of life of its inhabitants. However while the housing market has established a model based on standardization and individuality, an evaluation of the real characteristics of the main modern constructions is required, that mediate between the renewal and the existing local reality especially in cities emplaced in geographic complexes such as the ‘Gran Valparaíso’. The cities of Valparaiso and Viña del Mar are notable for its unique urban morphology between flat land and hills, formed both by spontaneous as planned constructions, generally adapted to the geography. The emergence of these new height models, particularly in the hills, had significant consequences at neighborhood and city. On the one hand has implied ownership of the common heritage of the people —the view of the landscape of the bay— and on the other hand have devalued the relationship between the built and the immediate environment. That situation even involved the dehumanization of collective spaces and loss of ‘sense of community’, both part of the local ways of live. However some modern collective housing gave importance to such spaces as a way to address the lack of common spaces in the dwelling unit. Through the integration of circulations, community spaces and endowments, ‘community’ was stimulated and socio-spatial relationship between vicinity and the neighborhood was favored. The fact that in its implementation to collect local qualities —or not— requires further study, especially in terms of associated lifestyles. This thesis presents the trajectory and community development process of seven modern housing complexes built in Valparaíso and Viña del Mar. As will be seen, without a doubt the formal and functional qualities of common spaces prompted the neighborhood’s evolution, deeply rooted in place.. Through a built from the documentation with the memories of the original inhabitants retrospective analysis of the areas of encounter and experience of everyday life, this research reviews the current status of these sets, their singularities and the changes that have experienced over time.

Speech features of the domain of the word in heterosexual twins during the second yeard of life

Speech is the major function, emergence and which development radically changes all course of formation of the identity of the child already in the early childhood. If language and speech development in solitary born children is investigated today quite well, at twin children this process practically is not studied. Our research was carried out for the purpose of studying of an originality of mastering by speech by heterosexual children of pair of twins within communicative and pragmatist approach (T.N. Ushakov,G. V. Chirkina). Application of this approach to the analysis of process of communication at twin children allowed us to allocate those peculiar receptions and means of communication which they functionally develop in a situation of pair of twins, as allows them to show the phenomena of the speech which are not meeting at solitary born contemporaries. In this work results of supervision and research of pair of heterosexual twins of the second year of the life, carried out by a technique developed by us under the scientific guide of G. V. Chirkina