Multi-Layer Insulation as Contribution to Orbital Debris

Flegel, Sven

Das Hauptthema dieser Dissertation ist die Modellierung von Mehrschichtisolationsfolie (MLI) als potentieller Beitrag zum Weltraummüll. Messdaten, die auf die speziellen Eigenschaften von MLI zutreffen, existieren fast ausschließlich für die Gruppe der geosynchronen Bahnen. Aus diesem Grund wird insbesondere dieser Bahnbereich untersucht. Das Referenzmodell zur Beschreibung der terrestrischen Weltraummüllumgebung (MASTER-2009) der europäischen Weltraumbehörde ESA beinhaltet die letzten umfassenden Simulationsergebnisse von MLI als Beitrag zum Weltraummüll. Die Modelle auf denen diese Ergebnisse basieren beruhen auf einer Reihe von Annahmen, die durch publizierte Untersuchungen zu den Eigenschaften von MLI gestützt sind. Neue Erkenntnisse aus Boden- und In-Situ-Messungen wurden im Rahmen der aktuellen Arbeit genutzt, um Verbesserungen am Modell zur Simulation von MLI-Trümmern vorzunehmen, die in Fragmentierungsereignissen erzeugt werden. Im Verlauf der Untersuchungen vermehrten sich die Indizien dafür, dass die Zahl der MLI Objekte, die auf Grund von Degenerationsprozessen freigesetzt werden, der in Fragmentierungen erzeugten untergeordnet ist. Aus diesem Grund wurde die Modellierung der Freisetzung von MLI im weiteren Verlauf auf den fragmentierungsbasierten Prozess beschränkt. Darüber hinaus wurde der Einfluss von Vereinfachungen der Geometrie von MLI-Fragmenten auf die Entwicklung der Umlaufbahn um die Erde in weiteren Simulationen untersucht. Die Ergebnisse des neuen MLI Modells wurden zur Validierung mit Beobachtungsdaten des geostationären- und Geotransferbahnbereichs verglichen, die mittels des Weltraummüllteleskops (SDT) der ESA erzielt worden sind. Während dieser Untersuchungen wurden Hinweise gefunden, die darauf hindeuten, dass die Zahl der nicht-MLI Trümmer, die in Explosionen von Raketenoberstufen der Arianeträgerrakete zwischen den Jahren 1984 und 2002 entstanden sind, bislang deutlich unterschätzt worden ist. Besonders hervorzuheben ist hierbei die Explosion der Oberstufe mit der internationalen Bezeichnung 1989-006B am 1. Januar 2001. Es konnte gezeigt werden, dass die hierbei entstandene Trümmerwolke durch das SDT in demselben Jahr beobachtet wurde. Die Simulationsergebnisse, die in dieser Dissertation präsentiert werden, weisen gute Übereinstimmung mit publizierten Daten aus Beobachtungen mittels des SDT auf, wodurch die Validität der Modellierung bestärkt wird.

The main topic of this thesis is the modeling of multi-layer insulation (MLI) as a potential source for space debris. Observation data which seems to be consistent with the specific properties of multi-layer insulation exists almost exclusively for the geosynchronous orbit region. An emphasis is therefore put on this altitude regime. The European Space Agency’s (ESA) reference model for the terrestrial space debris environment MASTER-2009 includes multi-layer insulation as part of the space debris population based on the latest comprehensive models. These rely on several assumptions which lead to a seemingly unrealistic escalation of MLI beyond the validated reference epoch of May 1st 2009. In the frame of the current thesis, published results from ground tests and from in-situ measurements from spacecraft were used to make significant improvements to the MLI fragmentation model. In the course of the work indications increased which suggest that the amount of MLI which is released from spacecraft due to deterioration is subordinate to the amount which is created in fragmentations. For this reason it was decided to rely exclusively on the updated fragmentation model as source for MLI debris. Additional simulations were performed to better understand uncertainties in the orbit prediction of MLI objects due to simplifying assumptions primarily regarding the shape of the objects. A validation of the new model outputs was performed against survey data of the geosynchronous and geotransfer orbit regions which has been obtained using the ESA Space Debris Telescope (SDT). In the course of this validation, strong evidence was found that non-MLI debris created in explosions of Ariane H-10 upper stages between 1984 and 2002 has previously been under-predicted. Specifically the fragmentation cloud of the upper stage with the international designator 1989-006B which exploded on January 1st 2001 could be unmistakably identified in the SDT’s data. The simulation results for MLI and non-MLI debris presented in this thesis show good agreement with published observations of the geosynchronous and geotransfer region, supporting the validity of the updated debris population modeling.

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Flegel, Sven: Multi-Layer Insulation as Contribution to Orbital Debris. 2013.

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