Descripció del projecte
Les òrbites terrestres molt baixes (VLEO) amb un rang d’altitud de 150 a 250 km poden proporcionar avantatges significatius per a les missions de satèl·lits. Els equips d’observació de la Terra, per exemple, poden aconseguir una resolució més alta o es poden dissenyar comparablement més petits i d’una manera més eficient. No obstant això, a causa de la resistència aerodinàmica causada per la densitat de partícules de l’atmosfera residual, un satèl·lit a VLEO caurà en poc temps. Una solució és la Air-Breathing Electric Propulsion (ABEP) que utilitza les partícules atmosfèriques com a gas propel·lent per a un dispositiu de propulsió elèctrica. L’empenta contínua compensa la resistència aerodinàmica, permetent períodes de vida de la missió factibles.
Un dels components crucials d’un sistema ABEP és l’entrada d’aire (air intake o intake) que compleix la funció de recollir les partícules d’aire que arriben frontalment a la proa del satèl·lit mentre aquest es desplaça en la seva òrbita. Aquestes partícules recollides dins de l’intake són comprimides de forma passiva per la geometria i es dirigeixen a través d’un conducte al propulsor de plasma. Dins del projecte EU DISCOVERER, es va realitzar un estudi de dissenys d’intake per a un sistema ABEP, basat en els estudis previs realitzats per l’IRS, BUSEK, la ESA i la JAXA, entre d’altres, que analitzava les geometries d’intake proposades, així com l’annex d’una reixa de conductes per reduir el percentatge de partícules que reboten dins l’intake cap a l’exterior. Aquest estudi incloia també dissenys analitzant l’aerodinàmica de l’entrada d’aire per a reflexions especulars i difuses.
Durant el transcurs del projecte DISCOVERER es van publicar estudis similars expandint els resultats per geometries semblants mitjançant combinacions de dimensions, analitzant l’efecte dels cicles dia/nit i condicions atmosfèriques i el rendiment a diferents altures d’òrbita. Posteriorment, a partir dels resultats presentats al projecte DISCOVERER, l’IRS va estudiar l’optimització específica de l’intake per al sistema de propulsió en desenvolupament a les seves instal·lacions i, més recentment, la universitat de Manchester i la universitat nacional de tecnologia de defensa (Xina) han publicat estudis comparant els resultats obtinguts amb diferents metodologies, i proposant optimitzacions per millorar l’eficiència de l’entrada d’aire.
L’estudi i optimització de l’entrada d’aire es realitza a partir de les bases teòriques de la aerodinàmica de gasos interaccionant amb objectes sòlids. No obstant, el cas específic de l’aerodinàmica de l’intake s’estudia en les condicions específiques de la VLEO, on el gas atmosfèric té tan poca densitat que no es comporta com un fluid a condicions normals. Així, en lloc d’utilitzar les lleis de Navier-Stokes per a les propietats de fluids, s’utilitza una descripció newtoniana de moviment de partícules amb una interacció estocàstica en els xocs partícula-partícula i partícula-superfície. Per a poder aplicar aquesta metodologia en casos d’estudi, es van desenvolupar les simulacions de Monte-Carlo (DSMC) com a mètode per discretitzar problemes i aplicar les equacions de manera numèrica per a resoldre la dinàmica molecular en fluids de molt baixa densitat. Des que es va presentar la metodologia, s’han implementat múltiples codis numèrics en entitats de recerca per a resoldre problemes de gasos de molt baixa densitat, utilitzats en tots els estudis presentats per realitzar les simulacions aerodinàmiques i obtenir resultats numèrics sobre les propietats del fluid i els seus efectes sobre una geometria, mantenint un control absolut sobre totes les condicions de contorn, així com els efectes físics desitjats d’interacció amb les partícules. En el cas concret de l’entrada d’aire d’un sistema ABEP, la propietat principal que s’ha estudiat de forma més extensa és l’eficiència de recol·lecció, que compara el flux màssic de partícules que entren per l’entrada de l’intake amb el flux màssic que surt pel forat final, que seria el cabal màssic efectiu que rebria el propulsor de plasma consecutiu a l’entrada d’aire. A més, també s’ha valorat la compressió de l’aire que aconsegueix la geometria i permet obtenir major densitat al motor. Les eines de simulació aerodinàmica permeten també calcular la força de resistència aerodinàmica que genera qualsevol geometria i, en resum, ofereixen una capacitat de càlcul pràcticament idèntica als codis de CFD tradicionals, proveint així d’una eina crítica en l’estudi d’objectes espaials, que permet estudiar els dissenys amb profunditat a un cost molt inferior del que tindria una prova en laboratori o a l’espai.
El projecte de recerca s’enfoca en el marc d’investigació, desenvolupament i optimització del sistema de propulsió elèctric ABEP, en particular de l’entrada d’aire, per a satèl·lits a VLEO. L’activitat es centra en realitzar un estudi de literatura, inclòs el principi de funcionament de l’entrada d’aire, l’optimització de l’eficiència i de la compressió. A continuació, s’investigarà la dependència d’aquesta eficiència i compressió respecte a les condicions de vol (condicions de contorn del fluid) i a l’alçada d’òrbita, per tal d’entendre amb més detall les característiques òptimes i els rangs d’alçada adecuats per a la tecnologia ABEP. Finalment, caldrà identificar els límits de disseny i realitzar noves iteracions per a adaptar i aplicar l’entrada d’aire a casos reals de dimensions i condicions limitades per la geometria del sistema de propulsió i el satèl·lit complet.
El projecte també inclou el disseny i testeig d’un prototip ja integrat amb altres subsistemes (IPT, sistema d’alimentació, etc.) en condicions “reals” d’operació al buit. Al llarg del temps de projecte s’inclou també la realització de diferents articles científics i tecnològics amb els estudis realitzats durant el desenvolupament.
