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Momentum predictability and heat accumulation in laser-based space debris removal

Scharring, Stefan und Eisert, Lukas und Lorbeer, Raoul-Amadeus und Eckel, Hans-Albert (2019) Momentum predictability and heat accumulation in laser-based space debris removal. Optical Engineering, 58 (1), 011004. Society of Photo-optical Instrumentation Engineers (SPIE). doi: 10.1117/1.OE.58.1.011004. ISSN 0091-3286.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
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Offizielle URL: http://spie.org/publications/journal/10.1117/1.OE.58.1.011004?SSO=1

Kurzfassung

Small space debris objects of even a few centimeters can cause severe damage to satellites. Powerful lasers are often proposed for pushing small debris by laser-ablative recoil toward an orbit where atmospheric burn-up yields their remediation. We analyze whether laser-ablative momentum generation is safe and reliable concerning predictability of momentum and accumulation of heat at the target. With hydrodynamic simulations on laser ablation of aluminum as the prevalent debris material, we study laser parameter dependencies of thermomechanical coupling. The results serve as configuration for raytracing-based Monte Carlo simulations on imparted momentum and heat of randomly shaped fragments within a Gaussian laser spot. Orbit modification and heating are analyzed exemplarily under repetitive laser irradiation. Short wavelengths are advantageous, yielding momentum coupling up to approximately 40 mNs∕kJ, and thermal coupling can be minimized to 7% of the pulse energy using short-laser pulses. Random target orientation yields a momentum uncertainty of 86% and the thrust angle exhibits 40% scatter around 45 deg. Moreover, laser pointing errors at least redouble the uncertainty in momentum prediction. Due to heat accumulation of a few Kelvin per pulse, their number is restricted to allow for intermediate cooldown. Momentum scatter requires a sound collision analysis for conceivable trajectory modifications.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/123764/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Momentum predictability and heat accumulation in laser-based space debris removal
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Scharring, StefanStefan.Scharring (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Eisert, Lukaslukas.eisert (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lorbeer, Raoul-Amadeusraoul.lorbeer (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-3674-9796NICHT SPEZIFIZIERT
Eckel, Hans-AlbertHans-Albert.Eckel (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-4581-6375NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:Januar 2019
Erschienen in:Optical Engineering
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:58
DOI:10.1117/1.OE.58.1.011004
Seitenbereich:011004
Verlag:Society of Photo-optical Instrumentation Engineers (SPIE)
ISSN:0091-3286
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Laser Ablation, Space Debris, Debris Removal, Momentum Transfer, Residual Heat, Monte Carlo Simulation, Heat Accumulation
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Flugzeuge
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L AR - Aircraft Research
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Laserforschung und Technologie (alt)
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Physik > Studien und Konzepte
Hinterlegt von: Scharring, Stefan
Hinterlegt am:26 Nov 2018 16:45
Letzte Änderung:31 Okt 2023 15:12

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