Dynamical evolution of artificial satellites and space debris in near earth region
Authors: Σκουλίδου Δέσποινα 
Published: September 2021

Σε αυτή την διδακτορική διατριβή, γίνεται πλήρης χαρτογράφηση της δυναμικής εξέλιξης δορυφόρων στο εγγύς διαστημικό περιβάλλον για χρονική κλίμακα εκατοντάδων ετών, με τη χρήση λεπτομερών αριθμητικών προσομοιώσεων. Σκοπός της εργασίας είναι ο εντοπισμός φυσικών διόδων (τροχιών) επανόδου δορυφόρων στην ατμόσφαιρα της Γης, που θα μπορούσαμε να εκμεταλλευτούμε ώστε να μετριαστεί το πρόβλημα των διαστημικών καταλοίπων, και βέβαια η κατανόηση των δυναμικών μηχανισμών που οδηγούν στην ύπαρξή τους. Η λεπτομερής χαρτογράφηση ολόκληρης της τροχιακής περιοχής γύρω από τη Γη απαιτεί την αριθμητική ολοκλήρωση και ανάλυση δεκάδων εκατομμυρίων δυνητικών τροχιών, σε κατάλληλο δυναμικό μοντέλο που λαμβάνει υπόψη του τις κύριες δυνάμεις που επιδρούν πάνω στους δορυφόρους (βαρυτικές διαταραχές από τη Σελήνη και τον Ήλιο, πίεση της ηλιακής ακτινοβολίας και αεροδυναμική τριβή στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας). Παρουσιάζουμε τον πιο πλήρη μέχρι στιγμής δυναμικό άτλαντα ολόκληρου του χρησιμοποιήσιμου εγγύς διαστημικού περιβάλλοντος με βάση τα στοιχεία της τροχιάς (a, e, i), χαρακτηρίζοντας την μακρόχρονη δυναμική συμπεριφορά των τεχνητών δορυφόρων της Γης από την περιοχή των LEO μέχρι την περιοχή των GEO και πιο πέρα. Βρήκαμε ότι ο εγγύς διαστημικός χώρος των φάσεων δεν παρουσιάζει ιδιαίτερο δυναμικό ενδιαφέρον για χαμηλές και υψηλές τιμές κλίσεων, ενώ οι πιο ενδιαφέρουσες και περίπλοκες δυναμικές συμπεριφορές παρατηρούνται για μεσαίες προς υψηλές τιμές κλίσεων, εξαιτίας της αλληλεπικάλυψης των συντονισμών με την Σελήνη και τον Ήλιο που διασχίζουν τον χώρο. Όταν ληφθούν υπόψη μεγάλες τιμές του λόγου μάζα-προς-επιφάνεια, χρήσιμα δυναμικά διάκενα εμφανίζονται κοντά στο ανώτερο άκρο της προστατευόμενης περιοχής των LEO, που θα μπορούσε να ληφθεί υπόψη κατά το σχεδιασμό επανόδου ενός δορυφόρου στην επιφάνεια της Γης. Μια πιο λεπτομερή μελέτη στην περιοχή των GTO δείχνει ότι υπάρχει ισχυρή εξάρτηση από το αρχικό ύψος του περιγείου, καθώς επίσης και από τον λόγο μάζα-προς-επιφάνεια και την τριβής της ατμόσφαιρας, κυρίως σε χαμηλές κλίσεις. Η πιο λεπτομερής μελέτη γύρω από την περιοχή των MEO/GNSS δείχνει ότι το ποσοστό των αντικειμένων που κάνει επάνοδο στην ατμόσφαιρα της Γης μεγιστοποιείται γύρω από τρεις συγκεκριμένες ζώνες κλίσεων (i=46, 56 και 68 μοίρες), και ο μέσος χρόνος ζωής (ή ο χρόνος που χρειάζεται για να φτάσει στην επιφάνεια της Γης) ελαχιστοποιείται. Επιπλέον, μια ειδική μελέτη για τις περιοχές-νεκροταφεία γύρω από τις τέσσερις ομάδες GNSS αποκαλύπτει ότι περίπου το 13-20% του αρχικού πληθυσμού είναι σταθερό για τουλάχιστον 200έτη. Τέλος, χρησιμοποιήσαμε τον δυναμικό άτλαντα για να βρούμε βέλτιστες λύσεις σε τροχιές επανεισόδου και τροχιές σε περιοχές-νεκροταφεία που θα μπορούσαν να επιτευχθούν με κατάλληλους ελιγμούς με χρήση κινητήρα, ξεκινώντας από μια τυπική τροχιά GNSS. Σύμφωνα με τη μελέτη μας, οι τροχιές επανεισόδου που μπορούν να προσεγγιστούν με αλλαγή ταχύτητας (ΔV) μικρότερη από 300m/s έχουν διάρκεια ζωής μεγαλύτερη από 70έτη, ενώ οι τροχιές σε περιοχές-νεκροταφεία μπορούν εύκολα να προσεγγιστούν με ΔV μεταξύ 5-40m /s.