Las colisiones de satélites dan lugar a escombros; vea este video para más información. Crédito:ESA / ID &Sense / ONiRiXEL, CC BY-SA 3.0 OIG, CC BY-SA 3.0 OIG
Los satélites que orbitan la Tierra se mueven a muchos kilómetros por segundo, entonces, ¿qué sucede cuando sus caminos se cruzan? Las colisiones de satélites son raras, y sus consecuencias mal entendidas, por lo que un nuevo proyecto busca simularlos, para una mejor predicción de los desechos espaciales futuros.
Hasta ahora, solo cuatro de tales colisiones han tenido lugar en la historia de los vuelos espaciales (la mayoría de los desechos espaciales provienen de explosiones de tanques o baterías de propulsantes sobrantes), pero se prevé que se vuelvan más comunes.
"Queremos entender qué sucede cuando dos satélites chocan, "explica la ingeniera estructural de la ESA, Tiziana Cardone, supervisando el proyecto.
"Hasta ahora se han hecho muchas suposiciones sobre cómo se disiparía la energía de colisión muy alta, pero no tenemos un conocimiento sólido de la física involucrada.
"Queremos poder visualizar en detalle cómo se romperían los satélites, y cuántos pedazos de escombros se producirían, para mejorar la calidad de nuestros modelos y predicciones ".
La energía total involucrada es órdenes de magnitudes más altas que la ingeniería estructural típica para el espacio, que se centra en soportar la violencia del lanzamiento. "Este es un territorio realmente desconocido, "agrega Tiziana.
"Necesitamos tener este conocimiento porque actualmente estamos trabajando en costosas estrategias de mitigación de escombros basadas en nuestra comprensión del comportamiento de los escombros, "explica Holger Krag de la Oficina de Desechos Espaciales de la ESA." Estamos proyectando la evolución del entorno de desechos hasta 200 años por delante.
"De las cuatro colisiones conocidas, solo uno de ellos se llevó a cabo de la manera que esperábamos, con ambos satélites rompiéndose catastróficamente, generando nubes de escombros. Los otros eran bastante diferentes, así que falta algo en nuestra imagen.
"Al ejecutar muchas variantes de colisión diferentes, esperamos comprender qué sucedió en las colisiones reales, para ayudar a fundamentar nuestro modelo ".
Se están llevando a cabo dos tipos diferentes de simulaciones de software:en el Instituto Fraunhofer de Dinámica de Alta Velocidad de Alemania y el otro en un consorcio liderado por el Centro de Estudios y Actividades para el Espacio de la Universidad de Padua en Italia.
El primer enfoque se basa en un método numérico sofisticado para simular los procesos de deformación y fragmentación en una colisión. Los objetos en colisión se modelan con propiedades estructurales y mecánicas realistas, representado por una 'malla de elementos finitos'.
Instantánea de una colisión simulada entre un modelo del satélite LOFT (Large Observatory For X-ray Timing) y un CubeSat de 12 unidades, moviéndose con una velocidad relativa de 11 km / sy golpeando en un ángulo de 32 grados. LOFT es una misión científica candidata de la ESA que compite por una oportunidad de lanzamiento a principios de la década de 2020. En el Instituto Fraunhofer de dinámica de alta velocidad, los objetos en colisión se simulan a nivel de material con propiedades estructurales y mecánicas realistas, representado por una "malla de elementos finitos". Estos elementos se convierten en partículas discretas a medida que la estructura se fragmenta. Esto permite la simulación de la respuesta estructural de un satélite a la colisión y predice la nube de fragmentos generados por el impacto, así como su evolución en el tiempo. Crédito:ESA / Instituto Fraunhofer de dinámica de alta velocidad
Estos elementos se convierten en partículas discretas a medida que los satélites se fragmentan. Esto permite la simulación de la respuesta estructural de los satélites a la colisión, así como la generación de la nube de fragmentos. y su evolución en el tiempo.
El segundo enfoque trata a la nave espacial como si estuviera compuesta de elementos más grandes, como paneles, carga útil, tanques de propulsante o paneles solares, adjunta junto con enlaces físicos. Cuando se produce la transferencia de energía de la colisión, estos vínculos se rompen y los elementos se fragmentan. Se aplica una biblioteca de simulaciones previas y datos empíricos para mostrar cómo estos elementos se fragmentan bajo la fuerza del impacto.
Un método de simulación alternativo, que muestra una esfera de aleación de aluminio de 5 cm que golpea el satélite LOFT LOFT (Observatorio grande para cronometraje de rayos X) a una velocidad de 8,5 km / sy un ángulo de impacto de 45 grados. LOFT es una misión científica candidata de la ESA que compite por una oportunidad de lanzamiento a principios de la década de 2020. Este enfoque a nivel de componente, emprendido por un consorcio liderado por el Centro de Estudios y Actividades para el Espacio de la Universidad de Padua en Italia, trata la nave espacial como si estuviera compuesta de elementos más grandes, como paneles, carga útil, tanques de propulsante o paneles solares, adjunta junto con enlaces físicos. Cuando se produce la transferencia de energía de la colisión, estos vínculos se rompen y los elementos se fragmentan. Se aplica una biblioteca de simulaciones previas y datos empíricos para mostrar cómo estos elementos se fragmentan bajo la fuerza del impacto. Crédito:ESA / Centro de Estudios y Actividades para el Espacio
Los dos tipos de simulación juntos, que operan a nivel de materiales y componentes, deberían brindar una nueva perspectiva de la física subyacente de las colisiones. pero ha comenzado imitando los efectos de un solo elemento de escombros, el tipo de colisión que se puede simular físicamente en laboratorios terrestres.
Una vez que estas simulaciones duplican la realidad observada, luego se utilizarán para reproducir impactos completos de satélites a escala de 500 kg.
Simulando un impacto a hipervelocidad de una esfera sobre la superficie de un satélite. En el enfoque del Instituto Fraunhofer de dinámica de alta velocidad, Se utiliza un sofisticado método numérico para simular los procesos de deformación y fragmentación de la colisión. Este enfoque permite una simulación físicamente consistente, que concuerda muy bien con los resultados experimentales. Crédito:ESA / Instituto Fraunhofer de dinámica de alta velocidad
La primera colisión conocida tuvo lugar en 1991, cuando el Cosmos 1934 de Rusia fue golpeado por un trozo de Cosmos 926. Entonces, en 1996, El satélite francés Cerise fue alcanzado por un fragmento de un cohete Ariane 4. En 2005, una etapa superior de Estados Unidos fue alcanzada por un fragmento de la tercera etapa de un cohete chino. En 2009, un satélite Iridium chocó con el Cosmos-2251 de Rusia.
