Active removal of space debris with space-based lasers : performance and requirements

Abstract

Space debris has recently become a topic of elevated interest. As the threat of an uncontrollable collision cascade among defunct space objects, known as the Kessler syndrome, is being discussed, the stakeholders and decision-makers have begun to consider the active removal of orbital debris. Thus motivated, the space community has begun conceiving and studying technical concepts for the realization. The bulk of them address the removal of larger bodies from orbit. These are catalogued and have the potential of fragmenting into a high number of new, dangerous objects. This thesis, however, treats a concept for the removal of the medium-sized (1 cm to 10 cm) debris objects. These are by far more numerous and are not catalogued. They have a comparable destructive potential but may be even harder to pick from their orbits. The remediation concept treated herein employs a space-based, high-power laser. By engaging objects in the size regime of 1 cm to 10 cm, and causing laser-induced surface ablation on a substantial subset of the debris population, the objects' perigees shall be reduced, so that they will re-enter the atmosphere quickly and eventually burn up. Although this mission concept has been studied in the past, essential key aspects have not yet been analysed in sufficient depth. In fact, important parts have only been covered by rough estimates and rule-of-thumb calculations. Among these topics are: The number of reachable debris objects, the necessity for orbital manoeuvres to be performed by the laser, the impact of the relative motion between laser and debris in the near field, and the connection between the laser optics and orbital mechanics. This thesis determines the boundaries in which a space-based laser debris removal can be performed. It identifies the necessary assumptions and the prerequisites, and derives technical system requirements for an implementation. For this purpose, a generic and comprehensive mission performance model is established. The model employs a discrete element approach, which is implemented as a numerical code. It allows performing case studies of individual missions as well as systematic parameter scans and optimizations. Additionally, it provides insight into the relevant mechanisms that are driving the performance: The user can tell why a particular scenario is strong or weak, and iteratively tune the mission and system parameters of the orbital debris sweeper platform. Three performance-driving quantities have been identified: The laser range, the tracking agility and the laser's power. This computer-based model is used to identify the constraints and the boundary conditions of the mission concept in general, framing a "design space" of missions. Finally, three exemplary sweeper missions are presented as a demonstration of the model's capabilities. Requirements for their technical implementation are estimated, along with an analysis of their remediation performance. The balanced scenario is shown to be capable of reducing the debris density in the most polluted orbital regions by 23% in 10 years.

Das Thema Weltraumschrott hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Während das Bedrohungsszenario einer unkontrollierbaren Kollisionskaskade, bekannt als "Kesslersyndrom", diskutiert wird, haben verschiedene Interessensgruppen und Entscheidungsträger begonnen, die aktive Entfernung von Weltraumschrott in Erwägung zu ziehen. Dies motiviert wiederum die Raumfahrtgemeinde, die technische Möglichkeiten einer aktiven Entfernung von Weltraumschrott zu untersuchen. Die Mehrheit der Projekte beschäftigt sich mit der Entfernung größerer Körper aus der Umlaufbahn. Diese Objekte sind katalogisiert und bergen die Gefahr, in eine Vielzahl kleinerer, gefährlicher Teile zu fragmentieren. Im Gegensatz dazu beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entfernung mittelgroßer (1 cm bis 10 cm) Schrottstücke. Davon existiert eine weit größere Anzahl. Sie sind nicht katalogisiert und das Schadenspotential ist vergleichbar. Gleichzeitig erscheint es schwieriger, diese zu beseitigen. Der vorgestellte Ansatz bedient sich eines satellitengestützten Hochenergielasers. Damit werden die Zielobjekte beschossen, so dass Laserablation stattfindet. Die dadurch verursachten Impulsänderungen verringern die Perigäen der Objekte, welche in der Folge zeitnah in der Atmosphäre verglühen. Wesentliche Aspekte sind nicht in hinreichender Tiefe abgeklärt, obwohl dieser Ansatz in der Vergangenheit bereits untersucht wurde. Wichtige Teilbereiche wurden bisher nur durch Schätzungen und überschlagsweise Rechnungen abgedeckt. Zu diesen Themen gehören: Die Anzahl der überhaupt erreichbaren Objekte, die Notwendigkeit von Bahnmanövern, die Relativbewegung von Laser und Schrott im Nahbereich und der Zusammenhang zwischen Laseroptik und Bahnmechanik. In der vorliegenden Arbeit wird der Rahmen abgesteckt, in dem eine Entfernung von Schrott mit einem satellitengestützten Laser sinnvoll sein kann. Die dazu nötigen Annahmen und Voraussetzungen werden identifiziert und Anforderungen an die technische Implementierung werden bestimmt. Zu diesem Zweck wird ein vollständiges, generisches Modell für die Abräumleistung aufgestellt und validiert. Dieses basiert auf einem Partikelansatz, welcher in einem numerischen Code implementiert wird. Es ermöglicht die Simulation einzelner Szenarien im Rahmen von Fallstudien, aber auch systematische Parameterscans und Optimierungen. Zusätzlich lassen sich Aussagen über die leistungsrelevanten Zusammenhänge des Missionsekonzepts gewinnen: Der Anwender erfährt, warum ein bestimmtes Szenario gut oder schlecht ist und kann iterativ die System- und Missionsparameter anpassen. Drei dominierende Einflussfaktoren auf die Abräumleistung werden identifiziert: Die Reichweite des Lasers, die Agilität der Nachführung des Laserstrahls und die Leistung des Lasers. Dieses Computermodell wird verwendet, um die grundlegenden Einschränkungen und Randbedingungen des Konzepts zu bestimmen. Dadurch wird ein "Raum der möglichen Missionen" abgesteckt. Abschließend werden drei exemplarische Missionsszenarien herausgegriffen und zur Veranschaulichung des Modells vorgestellt. Für jedes dieser drei Szenarien wird der Abräumerfolg berechnet und den technischen Anforderungen für die Umsetzung gegenübergestellt. Es wird gezeigt, dass das mittlere dieser Szenarien die Schrottdichte der am stärksten betroffenen Höhenbereiche in 10 Jahren um 23% senken kann.