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ESA Projekt: Fragmentation Consequence Analysis for LEO and GEO orbits (2012 – 2014)

Dieses Forschungsvorhaben wurde von vom ESA General Studies Programme (GSP) im Rahmen der GreenOPS Initiative finanziert (http://gsp.esa.int/greenops), mit dem Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme als Hauptauftragnehmer und dem Fraunhofer Ernst-Mach-Institut in Freiburg und Aribus Defence and Space als Projektpartner. Im Rahmen dieses Projektes wurden vier zentrale beantwortet:

  • Welchen Effekt hat ein zentraler Einschlag im Vergleich zu einem seitlich versetztem? Gängige Modelle, die heutzutage verwendetet werden, um Kollisionen zwischen Satelliten und Weltraumschrott zu modellieren entscheiden in der Regel auf Basis eines Energie-zu-Masse Verhältnisses, ob eine Kollision katastrophal (was bedeutet, dass alle beteiligten Objekte komplett zerstört werden) oder nicht-katastrophal ist. Es existieren jedoch Anzeichen, dass neben der Energie auch die Einschlagswinkel und Position einen Einfluss auf den Ausgang einer Kollision haben können. Im Rahmen dieses Projektes wurde vom Fraunhofer Ernst-Mach-Institut in Freiburg Hochgeschwindigkeitseinschlagstests durchgeführt, im diesen Sachverhalt zu untersuchen.
  • Was ist die „environmental criticality“ (Kritikalität) eines spezifischen Objektes? Dieser Term beschreibt das Risiko eines beliebigen Objektes innerhalb der Weltraumschrottpopulation für alle anderen Objekte katastrophal zu kollidieren. Das Risiko hierdurch lässt sich in zwei Terme unterteilen: Zunächst die Wahrscheinlichkeit des Objektes selber, dass es katastrophal kollidiert. Und zweitens die Auswirkung, die eine derartige Kollision auf die gesamte Population haben würde. Da er sich mit der Zeit ändert, wird dieser Faktor mit Hilfe von sehr umfangreichen Monte-Carlo Simulationen der Entwicklung der Weltraumschrottumgebung bestimmt. Da dieses sehr viel Rechenkapazität erfordert, wurde ein analytischer Ansatz entwickelt (SANE – Simple ANalytical Evolution), mit Hilfe dessen in deutlich kürzerer Zeit die Entwicklung der Weltraumschrottumgebung, gefittet an Monte-Carlo Simulationen, untersucht werden kann. Dieses analytische Modell wird anschließend verwendet, um die Kritikalität von allen größeren Raumfahrzeugen zu berechnen und in einem Ranking zusammen zu stellen. Da dies einen neuen Ansatz für das Ranking von Raumfahrzeugen darstellt, wird anschließend ein konventionelles Ranking, das von Airbus Defence and Space zur Verfügung gestellt wird, als Vergleich hinzugezogen.
  • Wie verändert sich die Kollisionsrate in der Population, wenn ein spezielles Objekte fragmentiert?

Diese Frage beinhaltet zwei Aspekte: Erstens, was ist der kurzfristige Einfluss direkt nach dem Event. Zweitens, was ist der Langzeit Effekt eines einzelnen Fragmentierungsevents, bzw. lässt sich dieser statistisch überhaupt nachweisen.

  • Wie kann man verschiedene Aspekte der Weltraumschrottpopulationsentwicklung mit Hilfe einfacher Parameter ausdrücken?

Hierbei wurden Parameter wie die Abstiegsrate einer Population von intakten Objekten untersucht, ebenso wie die Kollisionsrate als Funktion von großen Objekten in der Population oder die Explosionsrate als Funktion von intakten Objekten.

Publikationen im Rahmen des Vorhabens:

Kebschull C., Radtke J., Krag H.,"Deriving a Priority List Based on the Environmental Criticality", Presented at the 65th International Astronautical Conference, Toronto, Canada, 29.09 - 03.10 2014, Paper IAC-14,A6,P,48x26173

Kebschull C., Scheidemann P., Hesselbach S., Radtke J., Braun V., Krag H., "Simulation of the space debris environment in LEO using an analytical approach", Presented at the 40th COSPAR Scientific Assembly, Moscow, Russia 2 - 10 August 2014, Paper PEDAS.1-0011-14

Kebschull C., Braun V., Flegel S., Reihs B., Hesselbach S., Gelhaus J., Möckel M., Radtke J., Wiedemann C., Krag H., Vörsmann P., "A Simplified Approach to Analyze the Space Debris Evolution in the Low Earth Orbit", 64th International Astronautical Congress, Beijing, China 23.-27. September 2013, Paper IAC-13,A6,2,3x19121

Radtke J., Flegel S., Roth S., Krag H., Deriving the Spacecraft Criticality from Monte-Carlo Simulations of the Space Debris Environment, Presented at the 65th International Astronautical Congress 2014 (IAC 2014), 29. Sept. – 03. Oct. 2014, Toronto, Canada, Paper ID A6,2,6,x25584

Radtke J., Flegel S., Gelhaus J., Möckel M., Braun V., Kebschull C., Wiedemann C., Krag H., Merz K., Vörsmann P., Revision of Statistical Collision Analysis for Objects Inside of Satellite Constellations, Poster Presented at the 64th International Astronautical Congress 2013 (IAC 2013), 23. - 27. September 2013, Beijing, China, paper IAC - 13,A6,P,8.p1x18951

Radtke J., Flegel S., Gelhaus J., Möckel M., Braun V., Kebschull C., Wiedemann C., Krag H., Merz K., Vörsmann P., Überarbeitung der statistischen Kollisionsanalyse für Objekte innerhalb von Stallitenkonstellationen, DGLR-Jahrestagung 2013, Stuttgart

 

 

Figure 1: Kollisionsraten von Objekten, die aus der Fragmentierung eines normal schweren Objektes innerhalb eines 82° inklinierten Orbits bei ca. 800 km Höhe enstanden sind. Rote Linien zeigen die mittleren Kollisionsraten mit Standardabweichung, schwarze Linien die Ergebnisse aus jedem Monte-Carlo Lauf. (Radtke, 2014)

Projektpartner: