Fragmentação por ação aerotermodinâmica e predição da área de impacto de um veículo espacial com injeção controlada da re-entrada

• Ano de defesa: 2009
• Autor(a) principal: Silvanio Bezerra de Oliveira
• Orientador(a): Marcelo Lopes de Oliveira e Souza, Leonardo de Olivé Ferreira
• Banca de defesa: Hans-Ulrich Pilchowski, Valdemir Carrara, Jaime Augusto da Silva, Luis Carlos Rolim Lopes
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Mecânica Espacial e Controle
• País: BR
• Resumo em Inglês: In this work a study is conducted of aerothermodinamically induced fragmentation of a space vehicle during its reentry, along with an estimate of the total impact area of the scattered fragments on the planets surface. To begin with, controlled orbit-decay maneuvers are performed by means of optimal impulsive transfers. These impulses are applied opposite the vehicle velocity so as to decelerate it, thereby lowering the perigee till a reentry altitude is reached, whereupon fragmentation starts. To simulate the fragmentation process, a model was used which includes a linear condition for fracture of a solid body whose tenacity depends on the initial crack length, as well as on the aerodynamic force. Another study is performed connecting the tenacity to temperature variations, via Youngs modulus. To that end, a preliminary relation between these two parameters is proposed. Both forms of dependence of the tenacity are compared. A numerical and analytical investigation is conducted starting out with the dynamics of the entering body. Its results are found to be in good agreement with each other. To simulate the fragmentation process, homogeneous geometric solids (a rectangular parallelepiped, a straight circular cylinder, and a sphere) were employed to represent several space-vehicle geometries. The fragmentation model is based on a recent work of A.G. Ivanov and V.A. Ryzhanskii, who set out to model the fragmentation of a parallelepiped taking into account only the solids largest face as exposed to the atmospheric flow and having its dimensions in a prescribed proportion. In light of the model, comparing bodies with either the largest or the smallest face exposed to the wind leads one to surmise that, respectively, a greatest and/or smallest number of fragmentation event(s) take place. In turn, this implies, also respectively, a greatest and/or smallest time interval, with a largest and/or smallest area of fragments impact on the planetary surface. The model is treated in two phases: 1) fragmentation of the solid and 2) separation followed by scattering of the fragments. The second phase further divides into: 2-a) rotation of the fragments around their mass centers until contact between the fragments ceases and 2-b) dispersion of the fragments, colliding with the planet surface. Use of the model is illustrated through both a numerical method and an approximate analytical one. The results are then compared with those obtained by Ivanov and Ryzhanskii. First off, the model is applied to the Sikhote-Alin meteorite, a good natural example of the combined fragmentation-scattering phenomenon due to atmospheric action followed by collisions with Earths surface. Another application considers a geometric solid as an artificial body whose dimensions and volumetric density are equivalent to those of the CGRO − Compton Gamma Ray Observatory, which went through the phases of orbital decay, reentry, and atmospheric fragmentation.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m18@80/2009/07.23.15.26

Este trabalho consiste em estudar a fragmentação por ação aerotermodinâmica durante re-entrada de um veículo espacial, com estimativa da área de impacto dos fragmentos na superfície terrestre. Inicialmente, são realizadas manobras de decaimento orbital controlado através de transferências ótimas impulsivas. Tais impulsos são aplicados no sentido contrário ao vetor velocidade do veículo, com o objetivo de desacelerar o corpo, baixando o perigeu das órbitas até atingir a altitude de re-entrada, onde inicia-se a fragmentação atmosférica. Para simular essa fragmentação, utilizou-se um modelo que incorpora condição linear de fratura de um sólido cuja tenacidade à fratura depende da força aerodinâmica e do comprimento inicial da trinca. Outro estudo é realizado vinculando a tenacidade à fratura à variação de temperatura, via módulo de Young. Para tanto, propõe-se, em caráter preliminar, uma relação direta entre estes dois parâmetros. Comparações envolvendo ambas as dependências da tenacidade à fratura são realizadas. Uma investigação analítica e numérica é conduzida a partir da dinâmica do corpo. Os resultados de tal investigação, quando comparados entre si, exibem boa concordância. Nas simulações de fragmentação, sólidos geométricos homogêneos (paralelepípedo retangular, cilindro circular reto e esfera) foram utilizados para representar as possíveis formas de um veículo espacial. O modelo de fragmentação é baseado em recente trabalho desenvolvido por A. G. Ivanov e V. A. Ryzhanskii, os quais modelam a fragmentação de um paralelepípedo considerando apenas sua área máxima exposta ao fluxo atmosférico e com as dimensões proporcionais entre si. Comparações entre os sólidos com área máxima ou mínima exposta aquele fluxo sugerem, à luz do modelo, um número respectivamente maior e/ou menor de fragmentações do sólido, conduzindo, respectivamente, a um maior e/ou menor intervalo de tempo com estimativa de maior e/ou menor área de impacto de fragmentos na superfície do planeta. O modelo é tratado em duas fases: 1) a fragmentação do sólido e 2) a separação e subsequente espalhamento dos fragmentos. A segunda fase é subdividida em: 2-a) rotação dos fragmentos em torno dos seus centros de massa até cessar o contato entre os fragmentos e 2-b) dispersão dos fragmentos colidindo com a superfície do planeta. Ilustra-se a utilização do modelo tanto através do método numérico quanto com um método analítico aproximado, mediante comparação com o trabalho de Ivanov e Ryzhanskii. Primeiramente, o modelo é aplicado ao meteorito Sikhote-Alin, o qual constitui exemplo natural do fenômeno combinado de fragmentação e espalhamento por ação atmosférica seguidos de colisões na superfície do planeta Terra. Uma outra aplicação considera que o sólido geométrico seja um corpo artificial com dimensões e densidade volumétrica equivalentes aos do CGRO (Compton Gamma Ray Observatory), que passou pelas fases de decaimento orbital, re-entrada e fragmentação atmosférica.