DLR-ELISA - Evaluation of longterm-indices for sustainability applications

Abstract

Aufgrund der zunehmenden Anzahl von Objekten im erdnahen Weltraum, werden bestehende Regeln zu Mitigationsmaßnahmen re-evaluiert und angepasst, sowie neue Vorgaben etabliert. Grundlage für die Erarbeitung derartiger Maßnahmen ist das technische Verständnis für die langfristige Entwicklung der Objektzahlen unter verschiedenen Annahmen bzgl. zukünftiger Evolutionsszenarien. Dafür werden einerseits komplexe Simulationstools verwendet, die die langfristige Entwicklung der Objektzahlen unter verschiedenen Annahmen in die Zukunft extrapolieren können. Als zweite Möglichkeit werden aktuell Verfahren entwickelt, um den allgemeinen Zustand der erdnahen Objektpopulation in Hinblick auf die Space Debris Problematik zu evaluieren und zu quantifizieren. Beide Aspekte dienen der Erarbeitung eines wissenschaftlich-technischen Verständnis für eine langfristig nachhaltige Nutzung des erdnahen Weltraums. Im Schlussbericht werden aktuelle Forschungsergebnisse im Hinblick auf diese beiden Themenschwerpunkte detailliert dargestellt. In dem Zusammenhang wurde das am Institut für Raumfahrtsysteme entwickelte Simulationstool LUCA2 erweitert und Simulationsannahmen verfeinert. Konkret wurden dafür Verfahren entwickelt, um verschiedene Evolutionsszenarien möglichst realitätsnah definieren zu können und, um die Ergebnisse einer solchen Simulation möglichst hochaufgelöst auswerten zu können. Die Vorbereitung dient dabei v.a. der Bereitstellung einer initialen Objektpopulation, der Extrapolation von Startraten, sowie der Identifizierung von charakteristischen Eigenschaften von Satellitenkonstellationen basierend auf TLE Daten. Darüber hinaus wurde der funktionale Umfang von LUCA2 erweitert, um Stresstests in Form von künstlichen Fragmentationsereignissen simulieren zu können. Im Hinblick auf den zweiten wichtigen Themenschwerpunkt wurden verschiedene Nachhaltigkeitsmetriken zur Quantifizierung des aktuellen Zustandes der erdnahen Objektpopulation miteinander verglichen und eingehend charakterisiert. Es wurden verschiedene Verfahren entwickelt und getestet, um die Metriken möglichst viel-perspektivisch als objektspezifische, räumliche und globale Metrik auswerten zu können. Darüber hinaus wurde eine neue Metrik als Hybrid aus verschiedenen historischen Verfahren entwickelt und eingehend charakterisiert. Die Quantifizierung des Zustandes durch die Metriken wurde mit den Ergebnissen aus komplexen Langzeitsimulationen verglichen, um Gemeinsamkeiten und Unterschiede aufzuzeigen. Due to the increasing number of objects in near-Earth space, existing rules for mitigation measures are currently being reevaluated and adapted, and new guidelines are being established. The basis for the development of such measures is the technical understanding of the long-term evolution of object numbers under various assumptions regarding future evolution scenarios. On the one hand, complex simulation tools are used for this purpose, which can extrapolate the long-term evolution of object numbers into the future under various assumptions. As a second option, methods are currently being developed to evaluate and quantify the general state of the near-Earth object population with regard to the space debris problem. Both aspects serve to develop a scientific and technical understanding of the long-term sustainable utilisation of near-Earth space. In the final report, current research results are presented in detail with regard to these two main topics. In this context, the LUCA2 simulation tool developed at the Institute of Space Systems was enhanced and simulation assumptions refined. Specifically, procedures were developed to be able to define various evolution scenarios as realistically as possible and to be able to analyse the results of such a simulation with the highest possible resolution. The preparatory stage primarily serves to provide an initial object population, extrapolate launch rates and identify characteristic properties of satellite constellations based on TLE data. In addition, the functional scope of LUCA2 was extended to simulate stress tests in the form of artificial fragmentation events. With regard to the second important topic, various sustainability metrics for quantifying the current state of the near-Earth object population were compared and characterised in detail. Various methods were developed and tested in order to analyse the metrics from multiple perspectives as object-specific, spatial and global metrics. In addition, a new metric was developed as a hybrid of various historical methods and characterised in detail. The quantification of the environmental state using the metrics was compared with the results from complex long-term simulations in order to identify similarities and differences.