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.

Analysis and optimization for a hexapod walking robot for planetary missions

La tecnología de las máquinas móviles autónomas ha sido objeto de una gran investigación y desarrollo en las últimas décadas. En muchas actividades y entornos, los robots pueden realizar operaciones que son duras, peligrosas o simplemente imposibles para los humanos. La exploración planetaria es un buen ejemplo de un entorno donde los robots son necesarios para realizar las tareas requeridas por los científicos. La reciente exploración de Marte con robots autónomos nos ha mostrado la capacidad de las nuevas tecnologías. Desde la invención de la rueda, que esta acertadamente considerado como el mayor invento en la historia del transporte humano, casi todos los vehículos para exploración planetaria han empleado las ruedas para su desplazamiento. Las nuevas misiones planetarias demandan maquinas cada vez mas complejas. En esta Tesis se propone un nuevo diseño de un robot con patas o maquina andante que ofrecerá claras ventajas en entornos extremos. Se demostrara que puede desplazarse en los terrenos donde los robots con ruedas son ineficientes, convirtiéndolo en una elección perfecta para misiones planetarias. Se presenta una reseña histórica de los principales misiones espaciales, en particular aquellos dirigidos a la exploración planetaria. A través de este estudio será posible analizar las desventajas de los robots con ruedas utilizados en misiones anteriores. El diseño propuesto de robot con patas será presentado como una alternativa para aquellas misiones donde los robots con ruedas puedan no ser la mejor opción. En esta tesis se presenta el diseño mecánico de un robot de seis patas capaz de soportar las grandes fuerzas y momentos derivadas del movimiento de avance. Una vez concluido el diseño mecánico es necesario realizar un análisis que permita entender el movimiento y comportamiento de una maquina de esta complejidad. Las ecuaciones de movimiento del robot serán validadas por dos métodos: cinemático y dinámico. Dos códigos Matlab® han sido desarrollados para resolver dichos sistemas de ecuaciones y han sido verificados por un tercer método, un modelo de elementos finitos, que también verifica el diseño mecánico. El robot con patas presentado, ha sido diseñado para la exploración planetaria en Marte. El comportamiento del robot durante sus desplazamientos será probado mediante un código de Matlab®, desarrollado para esta tesis, que permite modificar las trayectorias, el tipo de terreno, y el número y altura de los obstáculos. Estos terrenos y requisitos iniciales no han sido elegidos de forma aleatoria, si no que están basados en mi experiencia como miembro del equipo de MSL-NASA que opera un instrumento a bordo del rover Curiosity en Marte. El robot con patas desarrollado y fabricado por el Centro de Astrobiología (INTA-CSIC), esta basado en el diseño mecánico y análisis presentados en esta tesis. ABSTRACT The autonomous machines technology has undergone a major research and development during the last decades. In many activities and environments, robots can perform operations that are tought, dangerous or simply imposible to humans. Planetary exploration is a good example of such environment where robots are needed to perform the tasks required by the scientits. Recent Mars exploration based on autonomous vehicles has shown us the capacity of the new technologies. From the invention of the wheel, which is rightly regarded as the greatest invention in the history of human transportation, nearly all-planetary vehicles are based in wheeled locomotion, but new missions demand new types of machines due to the complex tasks needed to be performed. It will be proposed in this thesis a new design of a legged robot or walking machine, which may offer clear advantages in tough environments. This Thesis will show that the proposed walking machine can travel, were terrain difficulties make wheeled vehicles ineffective, making it a perfect choice for planetary mission. A historical background of the main space missions, in particular those aimed at planetary exploration will be presented. From this study the disadvantages found in the existing wheel rovers will be analysed. The legged robot designed will be introduced as an alternative were wheeled rovers could be no longer the best option for planetary exploration. This thesis introduces the mechanical design of a six-leg robot capable of withstanding high forces and moments due to the walking motion. Once the mechanical design is concluded, and in order to analyse a machine of this complexity an understanding of its movement and behaviour is mandatory. This movement equation will be validated by two methods: kinematics and dynamics. Two Matlab® codes have been developed to solve the systems of equations and validated by a third method, a finite element model, which also verifies the mechanical design. The legged robot presented has been designed for a Mars planetary exploration. The movement behaviour of the robot will be tested in a Matlab® code developed that allows to modify the trajectories, the type of terrain, number and height of obstacles. These terrains and initial requirements have not been chosen randomly, those are based on my experience as a member of the MSL NASA team, which operates an instrument on-board of the Curiosity rover in Mars. The walking robot developed and manufactured by the Center of Astrobiology (CAB) is based in the mechanical design and analysis that will be presented in this thesis.