The Development of an Intelligent Health Monitoring System for Micrometeoroid and Space Debris Protection Systems and Spacecraft Structural Components

Le début des activités humaines dans l'espace, en 1957, a marqué aussi le début de la pollution graduelle de cet environnement avec des débris orbitaux (DO). Aujourd'hui, ce problème crée ce qui est appelé «l'impact à de très haute vitesse», un des principaux dangers pouvant se produire (impact a hyper vitesse) entre des débris orbitaux et un véhicule spatial ou satellite en cours de vol atour de l'orbite terrestre. À la suite de ces collisions plus de débris sont formés en basse orbite (région inférieure à 2000 km d'altitude) et un phénomène dit «collision potentielle en cascade» (également connu sous le nom de «syndrome de Kessler») peut survenir. La collision en cascade est mentionnée par plusieurs études de modélisation de l'environnement spatial effectuées par des agences spatiales comme la NASA ou l'ESA. Un autre type de danger qui peut conduire au même risque d'impact à une très grande vitesse dans l'espace sont les micrométéorites. Les micrométéorites et les débris spatiaux voyagent en orbite terrestre basse à des vitesses allant de 17 à 20 Km/s et 70 à 80 Km/s respectivement, et leur impact sur les véhicules spatiaux peut varier d'une dégradation des performances jusqu'à la perte totale de l'engin. Actuellement, il y a plus de 22000 morceaux de débris orbitaux qui sont suivis et répertoriés, et cela pour des objets avec des dimensions supérieures à 5 cm, pour lesquels la prévention des collisions est la seule option, et pour lesquelles aussi des dizaines de conjonctions d'avertissements sont émises quotidiennement par les centres d'opérations satellitaires. En revanche, Il y a plus de 500000 morceaux de débris orbitaux avec des dimensions inférieures à 5 cm représentant aussi un haut risque de collision pour les satellites qui sont en orbite basse. Le cas de l'impact de DO ayant des dimensions allant jusqu'à 5 mm pourrait créer une dégradation des fonctions opérationnelles d'un véhicule spatial. Les DO ayant des dimensions de 0,5 à 1 cm sont la principale menace pour les véhicules spatiaux en orbite basse et pour lesquels les solutions actuelles sont juste représentées par des systèmes de protection. Le maintien d'une structure sûre et saine de satellites ou de véhicules spatiaux et une meilleure compréhension de l'interaction des MMOD avec les systèmes spatiaux motive en effet la création d'un système de surveillance (Health Monitoring System) intégré afin de surveiller en temps réel ou en temps quasi réel la dégradation de la structure ou du système de protection.

Abstract

Human activity in the space environment began in 1957. From this moment forward, these activities have created another phenomena; the gradual pollution of space with orbital debris (OD). Today this accumulated debris is one of the main hazards in the near–Earth space environment. More specifically, hypervelocity impact between OD and every satellite and space vehicle that is launched or is currently orbiting the Earth. As each collision occurs more OD is created and, in the Low Earth Orbit (LEO) zone (the region below 2000 km altitude), a potential ongoing collision cascade effect (also known as the “Kessler Syndrome”) can occur. This potential for collision cascade has been identified during space environment modeling studies performed by space agencies such as NASA or ESA. Increased space activity combined with poor standardization of space activity and the limited options for cleaning the space environment will lead to an increased frequency of collisions. Within the next few decades we will not be able to use the LEO for practical purposes. Another type of particle that creates the same primary risk of hypervelocity impact in the space environment is micrometeoroids. Micrometeoroids and space debris travel in low earth orbit at velocities up to 17-20 Km/s (OD) and 70-80 Km/s respectively, and their impact on space assets can vary from degraded performance to catastrophic loss. More than 22000 pieces of OD are currently tracked. These are objects with dimensions larger than 5 cm for which collision prevention is the only option, and for which tens of conjunction warnings are issued daily by satellite operations centers. In addition, there are more than 500,000 pieces of OD with dimensions less than 5 cm that present a high risk for collisions with satellites that are orbiting in the LEO. Solutions for debris in this dimensional range still have to be developed and include concepts capable of preventing and blocking the huge energy of hypervelocity impact and/or concepts for OD removal. Impact between OD with dimensions up to 5 mm and spacecraft is a special case because it could create a degradation of operational functions. OD in the 0.5 to 1 cm dimensional range, which represents 80 % of debris larger than 0.5 cm, is the main threat to spacecraft in the LEO. The only current solutions are protection systems or shields. To evaluate the risks associated with spacecraft impact with micrometeoroids and orbital debris (MMOD) we have to analyze factors such as: environment (the fluxes of particles), damage prediction (number of impacts) and damage tolerance (how much damage the structure can stand).