Space smash - simulerer, når satellitter kolliderer

Satellitter, der kredser om Jorden, bevæger sig med mange kilometer i sekundet – så hvad sker der, når deres veje krydser hinanden? Satellitkollisioner er sjældne, og deres konsekvenser dårligt forstået, så et nyt projekt søger at simulere dem, for bedre forudsigelse af fremtidigt rumaffald.

Kun fire sådanne kollisioner har fundet sted i rumflyvningens historie indtil videre - størstedelen af ​​rumaffald stammer fra eksplosioner af resterende drivmiddeltanke eller batterier - men de forventes at blive mere almindelige.

"Vi vil gerne forstå, hvad der sker, når to satellitter kolliderer, " forklarer ESA's konstruktionsingeniør Tiziana Cardone, tilsyn med projektet.

"Hidtil er der lavet en masse antagelser om, hvordan den meget høje kollisionsenergi ville spredes, men vi har ikke en solid forståelse af den involverede fysik.

"Vi ønsker at være i stand til i detaljer at visualisere, hvordan satellitterne ville bryde op, og hvor mange stykker affald ville blive produceret, at forbedre kvaliteten af ​​vores modeller og forudsigelser."

Den samlede energi involveret er størrelsesordener højere end typisk konstruktionsteknik for rummet, som fokuserer på at udholde opsendelsens vold. "Dette er virkelig ukendt territorium, " tilføjer Tiziana.

"Vi er nødt til at have denne forståelse, fordi vi i øjeblikket arbejder på dyre affaldsreduktionsstrategier baseret på vores forståelse af affaldsadfærd, " forklarer Holger Krag fra ESA's Space Debris Office. "Vi projicerer udviklingen af ​​affaldsmiljøet op til 200 år frem.

"Af de fire kendte kollisioner, kun én af dem fandt sted på den måde, vi havde forventet, med begge satellitter, der bryder op katastrofalt, generere skyer af affald. De andre var helt anderledes, så der mangler noget på vores billede.

"Ved at køre mange forskellige kollisionsvarianter håber vi at forstå, hvad der skete på tværs af de faktiske kollisioner, for at hjælpe med at underbygge vores modellering."

To forskellige slags softwaresimuleringer udføres:på Tysklands Fraunhofer-institut for højhastighedsdynamik og den anden i et konsortium ledet af Center for Studier og Aktiviteter for Rum ved University of Padua i Italien.

Den første tilgang er baseret på en sofistikeret numerisk metode til at simulere deformations- og fragmenteringsprocesserne i en kollision. De kolliderende objekter er modelleret med realistiske strukturelle og mekaniske egenskaber, repræsenteret ved et 'finite element mesh'.

Disse elementer omdannes til diskrete partikler, når satellitterne fragmenteres. Dette muliggør simulering af satellitternes strukturelle reaktion på kollisionen såvel som genereringen af ​​fragmentskyen, og dens udvikling over tid.

Den anden tilgang behandler rumfartøjet som opbygget af større elementer, såsom paneler, nyttelast, drivmiddeltanke eller solcellepaneler, knyttet sammen med fysiske links. Når energioverførslen af ​​kollisionen finder sted, disse links er brudt fra hinanden, og elementerne er fragmenteret. Et bibliotek med tidligere simuleringer og empiriske data er anvendt for at vise, hvordan disse elementer fragmenteres under kraften fra stødet.

De to typer simulering tilsammen – der opererer på materiale- og komponentniveau – skulle give ny indsigt i den underliggende fysik af kollisioner, men er begyndt med at efterligne virkningerne af et enkelt stykke affald - den slags kollision, der kan simuleres fysisk i jordbaserede laboratorier.

Når først disse simuleringer duplikerer den observerede virkelighed, så vil de blive brugt til at gengive hele nedslag fra satellitter på 500 kg.

Den første kendte kollision fandt sted i 1991, da Ruslands Cosmos 1934 blev ramt af et stykke Cosmos 926. Så i 1996, Frankrigs Cerise-satellit blev ramt af et fragment af en Ariane 4-raket. I 2005 blev et amerikansk øvre trin ramt af et fragment af en kinesisk rakets tredje trin. I 2009 kolliderede en Iridium-satellit med Ruslands Cosmos-2251.