Measurement techniques for assessing and reducing the risk posed by Micrometeoroid and Orbital Debris to Space vehicles

In recent years a new risk for Earth-orbiting spacecraft started to emerge: space debris. This term describes any man-made object in orbit around Earth that no longer has a useful purpose. The present work describes measurement techniques for assessing and reducing the risk posed by Micrometeoroid and Orbital Debris (MMOD) to space vehicles. The main research areas are: • Impacts phenomenology, risk assessment methodology, and design methods; • Experimental methods (i.e. acceleration techniques and diagnostic instrumentation); • Engineering models (i.e. measurements of the effects of the MMOD and derivation of damage equations). Related to these areas, the objectives and personal contributions are presented regarding: • Hypervelocity facility developments, i.e. improvements of the CISAS (Center of Studies and Activities for Space) ‘G. Colombo’ two stage light gas gun (LGG) and a design study about 2 single stage LGGs, for the CISAS HVI (hypervelocity impacts) facility and for the Cranfield University, UK; • Experimental activity for impacts’ study, where instruments for the ejecta characterization and the primary impact detection were developed; • Derivation of damage equations, this led to the definition of new Ballistic Limit Equations statistically based that give a new scenario for MMOD shields’ design in the future. These equations are developed to define impact conditions (i.e. particle size, particle density, impact velocity, and impact angle) that result in threshold failure of specific spacecraft components or subsystems. The main objectives of the research were met and they led to the: • Gasdynamical study and sabot stopping system design for a new CISAS single stage Light Gas Gun; • Impact chamber and sabot stopping system design for the Cranfield University (UK) single stage LGG; • High pressure section and supporting structure design for a new CISAS two stage LGG; • Design and evolution of an instrument for ejecta characterization; • Design of an instrument for primary impact measurements; • Development of a methodology to derive damage predictor equations statistically based for Cosmo-Skymed satellites ; • Development of a methodology to derive ballistic limit equations statistically based for inflatable structures.

Negli ultimi anni un nuovo rischio ha iniziato ad emergere per i veicoli spaziali orbitanti attorno alla Terra: i detriti spaziali. Questo termine descrive oggetti di origine umana in orbita attorno alla Terra che non hanno più uno scopo utile. Il presente lavoro descrive tecniche di misura per stimare e ridurre il rischio creato da micrometeoriti e detriti spaziali (MMOD) ai veicoli spaziali. Le principali aree di ricerca sono: • Fenomenologia dell’impatto, metodologia per la stima del rischio, metodi di progettazione; • Metodi sperimentali (ossia tecniche di accelerazione e strumentazione per la diagnostica); • Modelli ingegneristici (ossia misure degli effetti dei MMOD e derivazione delle equazioni di danno). Gli obiettivi e i contributi personali legati a queste aree di ricerca sono presentati relativamente a: • Sviluppo della strumentazione del laboratorio per la simulazione di impatti iperveloci presso il CISAS (Centro Interdipartimentale Studi ed Attività Spaziali) “G. Colombo”, ossia evoluzione del cannone bistadio a gas leggero e progettazione relativa a componenti di due cannoni monostadio a gas leggero, uno per il CISAS e uno per la Cranfield University, UK; • Attività sperimentale relativa allo studio degli impatti, dove sono stati sviluppati strumenti per la caratterizzazione di ejecta e per il rilevamento di impatti primari; • Derivazione delle equazioni di danno, questo ha portato allo sviluppo di nuove Equazioni di Limite Balistico, aventi base statistica e che forniscono un nuovo scenario riguardo il futuro della progettazione di scudi per i MMOD. Queste equazioni sono sviluppate per definire le condizioni di impatto (ossia diametro e densità del detrito, velocità e angolo di impatto) che risultano per il valore di soglia relativo al fallimento di uno specifico componente o sottosistema di un veicolo spaziale. I principali obiettivi di questa ricerca sono stati raggiunti e hanno portato a: • Studio gasdinamico e progettazione del sistema ferma sabot per un nuovo cannone monostadio a gas leggero per il laboratorio per impatti iperveloci presso il CISAS; • Progettazione della camera per gli impatti e del sistema ferma sabot per il cannone monostadio a gas leggero presso la Cranfield University, UK; • Progettazione della sezione ad alta pressione e della struttura di supporto per il nuovo cannone bistadio a gas leggero presso il CISAS; • Progettazione ed evoluzione di uno strumento per la caratterizzazione di ejecta; • Progettazione di uno strumento per misure relative a impatti primari; • Sviluppo di una metodologia per derivare equazioni di danno su base statistica per i satelliti Cosmo-Skymed; • Sviluppo di una metodologia per derivare equazioni di limite balistico su base statistica per strutture inflatable.