@PhDThesis{MurciaPiņeros:2018:TrAtMo,
author = "Murcia Piņeros, Jhonathan Orlando",
title = "Trajectory and attitude modeling and propagation for reentry
debris with fragmentation implementing voxels meshs",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2018",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2018-04-27",
keywords = "reentrada, trajet{\'o}ria, fragmenta{\c{c}}{\~a}o, seis graus
de liberdade, detritos espaciais, fragmentation, reentry, six
degrees of freedom, trajectory, orbital debris.",
abstract = "Actually, more than 17.000 objects are in orbit around the Earth,
with an estimated total mass of 6.500.000 kg. All of them with
dimensions superior to 10 cm and some orbiting without control. In
other words, they are orbital debris. In orbit, the debris
represents a hazard to operational satellites and aerospace
operations due to the high probability of collisions. With the
exponential increment of space activities and without regulations
it is expected a proportional increment in the debris population
and an increase the risk for the space activities. Because the
interaction of the debris with the atmosphere of the Earth and the
solar activity, the debris began to lose energy and decay. During
the de-orbit process, the debris fall into the Earths atmosphere
at hypersonic speeds and these objects can be break-up and/or
fragmented due to the aerodynamics, thermal and structural loads.
It is important to obtain the trajectory and attitude of any
fragment to determine the possible survival mass, impact area,
hazard conditions and risk to the population, the air traffic
control, and infrastructure. Different computational tools are
used to determine the impact of the debris during reentry. These
tools implement different models complemented with data from
observations and laboratories. In this case, it is proposed a
computational code to integrate the equations of motion and to
propagate the dynamics and kinematics of the possible survival
fragments. The new model implements the voxel method to determine
the aerodynamic conditions and the fragmentation of the body. It
is also analyzed the results of trajectories with six degrees of
freedom, atmospheric winds, and Magnus effect. The mathematical
model and computational code are validated in three degrees of
freedom. Results are compared with data from other computational
tools available in the scientific literature. The results show a
good approximation with the report cases of study. New results are
generated in the simulations of rotational bodies, due to the
influence of aerodynamic forces in the trajectory and the changes
in the stagnation regions. Because the implementation of wind and
rotation of the debris, the fragments increased the survivability
and the dispersion area. These information confirm the initial
hypothesis and increases the applications of the actual tool in
future reentry predictions. RESUMO: Atualmente, mais de 17.000
objetos orbitam em torno da Terra, com uma estimativa de massa
superior a 6.500.000 kg. Todos eles com dimens{\~o}es superiores
a 10 cm e alguns orbitando sem controle, tamb{\'e}m conhecidos
como detritos espaciais. Na {\'o}rbita, os detritos representam
risco para sat{\'e}lites operacionais e para as
opera{\c{c}}{\~o}es aeroespaciais porque aumentam as
probabilidades de colis{\~o}es. Com o incremento exponencial das
atividades espaciais e a aus{\^e}ncia de regulamentos, espera-se
um incremento proporcional na popula{\c{c}}{\~a}o de detritos e
o aumento do risco das atividades espaciais. A
intera{\c{c}}{\~a}o dos detritos com a atmosfera da Terra e a
atividade solar fazem com que os detritos comecem a perder energia
gerando o decaimento da orbita. Durante o processo de decaimento,
os detritos caem na atmosfera da Terra a velocidades
hipers{\^o}nicas e podem ser quebrados e/ou fragmentados pelas
cargas aerodin{\^a}micas, t{\'e}rmicas e estruturais. {\'E}
importante obter a trajet{\'o}ria e a atitude de qualquer
fragmento para determinar a poss{\'{\i}}vel massa final, a
{\'a}rea de impacto, condi{\c{c}}{\~o}es de perigo e risco para
a popula{\c{c}}{\~a}o, para o controle de tr{\'a}fego
a{\'e}reo e para a infraestrutura em terra. Diferentes
ferramentas computacionais s{\~a}o implementadas para determinar
o impacto dos detritos durante a reentrada. Qualquer uma dessas
ferramentas implementa diferentes modelos matem{\'a}ticos
complementados com dados de observa{\c{c}}{\~o}es e
laborat{\'o}rios. Neste caso, prop{\~o}e-se um c{\'o}digo
computacional para integrar as equa{\c{c}}{\~o}es de movimento e
propagar a din{\^a}mica e a cinem{\'a}tica dos
poss{\'{\i}}veis fragmentos que conseguem sobreviver a
reentrada. O modelo proposto implementa o m{\'e}todo de voxels
para determinar as condi{\c{c}}{\~o}es aerodin{\^a}micas e a
fragmenta{\c{c}}{\~a}o dentro do corpo, analisando os resultados
de trajet{\'o}rias com seis graus de liberdade, ventos
atmosf{\'e}ricos e efeito Magnus. O modelo matem{\'a}tico e o
c{\'o}digo computacional s{\~a}o validados em tr{\^e}s graus de
liberdade. Os resultados foram comparados com dados de outras
ferramentas computacionais dispon{\'{\i}}veis na literatura
cient{\'{\i}}fica. Os resultados mostram uma boa
aproxima{\c{c}}{\~a}o com os casos estudados. Novos resultados
foram gerados nas simula{\c{c}}{\~o}es de corpos rotativos e
pode-se observar a influ{\^e}ncia das for{\c{c}}as
aerodin{\^a}micas na trajet{\'o}ria e as mudan{\c{c}}as nas
regi{\~o}es de estagna{\c{c}}{\~a}o dos fragmentos. Com a
implementa{\c{c}}{\~a}o do vento e a rota{\c{c}}{\~a}o dos
detritos, os fragmentos aumentaram a capacidade de
sobreviv{\^e}ncia e a {\'a}rea de dispers{\~a}o. Essas
informa{\c{c}}{\~o}es confirmam a hip{\'o}tese inicial e
aumentam as aplica{\c{c}}{\~o}es da ferramenta real em futuras
previs{\~o}es de reentrada.",
committee = "Moraes, Rodolpho Vilhena de (presidente) and Prado, Antonio
Fernando Bertachini de Almeida (orientador) and Guedes, Ulisses
Tadeu Vieira (orientador) and Gomes, Vivian Martins and Carvalho,
Francisco das Chagas",
englishtitle = "Modelamento e propaga{\c{c}}{\~a}o da trajet{\'o}ria e atitude
de detritos espaciais com fragmenta{\c{c}}{\~a}o implementando
uma malha de voxels",
language = "en",
pages = "196",
ibi = "8JMKD3MGP3W34R/3R34NKS",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34R/3R34NKS",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "27 abr. 2024"
}