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Modification of Space Debris Trajectories through Lasers: Dependence of Thermal and Impulse Coupling on Material and Surface Properties

Keil, Denise und Scharring, Stefan und Klein, Erik Marten und Lorbeer, Raoul-Amadeus und Schumacher, Dennis und Seiz, Frederic und Sharma, Kush Kumar und Zwilich, Michael und Schnörer, Lukas und Roth, Markus und Ben-Larbi, Mohamed Khalil und Wiedemann, Carsten und Riede, Wolfgang und Dekorsy, Thomas (2023) Modification of Space Debris Trajectories through Lasers: Dependence of Thermal and Impulse Coupling on Material and Surface Properties. Aerospace. Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI). doi: 10.3390/aerospace10110947. ISSN 2226-4310.

[img] PDF - Nur DLR-intern zugänglich - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
5MB

Kurzfassung

Abstract: Environmental pollution exists not only within our atmosphere but also in space. Space debris is a critical problem of modern and future space infrastructure. Congested orbits raise the question of spacecraft disposal. Therefore, state-of-the-art satellites come with a deorbit system in cases of low Earth orbit (LEO) and with thrusters for transferring into the graveyard orbit for geostationary and geosynchronous orbits. No practical solution is available for debris objects that stem from fragmentation events. The present study focuses on objects in LEO orbits with dimensions in the dangerous class of 1 to 10 cm. Our assumed method for the change of trajectories of space debris is laser ablation for collision avoidance or complete removal by ground-based laser systems. Thus, we executed an experimental feasibility study with focus on thermal and impulse coupling between laser and sample. Free-fall experiments with a 10 ns laser pulse at nominally 60 J and 1064 nm were conducted with GSI Darmstadt’s nhelix laser on various sample materials with different surfaces. Ablated mass, heating, and trajectory were recorded. Furthermore, we investigated the influence of the sample surface roughness on the laser-object interaction. We measured impulse coupling coefficients between 7 and 40 µNs/J and thermal coupling coefficients between 2% and 12.5% both depending on target fluence, surface roughness, and material. Ablated mass and changes in surface roughness were considered via simulation to discriminate their relevance for a multiple shot concept.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/198867/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Modification of Space Debris Trajectories through Lasers: Dependence of Thermal and Impulse Coupling on Material and Surface Properties
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Keil, DeniseDenise.Keil (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7016-2791146514519
Scharring, StefanStefan.Scharring (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Klein, Erik MartenErik.Klein (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-8539-8609NICHT SPEZIFIZIERT
Lorbeer, Raoul-AmadeusRaoul.Lorbeer (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schumacher, Dennisde.schumacher (at) gsi.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Seiz, Fredericfrederic.seiz (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Sharma, Kush KumarKush.Sharma (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Zwilich, MichaelMichael.Zwilich (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schnörer, Lukaslukas.schnoerer (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Roth, MarkusTechnische Universität DarmstadtNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ben-Larbi, Mohamed KhalilTechnische Universität BerlinNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wiedemann, CarstenInstitute of Aerospace Systems, Technische Universität BraunschweigNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Riede, WolfgangWolfgang.Riede (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Dekorsy, ThomasThomas.Dekorsy (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2257-2854NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:7 November 2023
Erschienen in:Aerospace
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.3390/aerospace10110947
Verlag:Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI)
ISSN:2226-4310
Status:veröffentlicht
Stichwörter:space debris; debris-trajectory modification; collision avoidance; high-power laser application; space sustainability
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R - keine Zuordnung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - keine Zuordnung
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Physik > Aktive optische Systeme
Institut für Raumfahrtsysteme > Mechanik und Thermalsysteme
Hinterlegt von: Keil, Denise
Hinterlegt am:13 Nov 2023 11:47
Letzte Änderung:24 Jan 2024 10:29

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