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Authors
Abstract(s)
Very-low Earth orbits offer numerous advantages for Earth observation missions, including improved resolution and reduced cost. However, lowering spacecraft orbits introduces
certain operational challenges such as: higher atmospheric density and, consequently, increased atmospheric drag and power demand. Conventional electrical propulsion struggles
to sustain VLEO missions for extended periods due to the substantial drag that depletes
onboard propellant. Therefore, air-breathing electric propulsion (ABEP) has emerged as a
promising technology by utilizing the surrounding air for thrust generation and reducing reliance on onboard propellants. However, the performance of electric thrusters worsens due
to the need to collect the atmosphere in free-molecular regime through an intake system.
Additionally, atmospheric species have inferior performance in thrust generation compared
to typical propellants like xenon.
This thesis aims to identify the requirements for sustaining a spacecraft’s orbit in VLEO
and assess the feasibility of utilizing state-of-the-art ABEP technology for this purpose. To
achieve this, a MATLAB® application was developed to characterize the very-low environment and compute the required performance to operate in a sun-synchronous mission specified by the user. GOCE mission that orbited in very-low altitudes was replicated by the app
and its outputs were validated by comparing them to the reported flight data. Moreover,
the simulation outcomes provided valuable insights into the feasibility of incorporating airbreathing electric thrusters in missions similar to GOCE’s.
Órbitas terrestres muito baixas oferecem inúmeras vantagens para as missões de observação terrestre como, por exemplo, melhor resolução e redução do custo. No entanto, baixar a altitude operacional dos satélites introduz certos desafios, tais como: maior densidade atmosférica e, consequentemente, maior resistência atmosférica e energia requerida. A propulsão eléctrica convencional tem dificuldade em manter estas missões em órbitas muito baixas durante períodos prolongados devido ao arrasto atmosférico significativo que esgota o propelente a bordo. Por consequência, a tecnologia air-breathing electric propulsion (ABEP) tornou-se promissora uma vez que utiliza o atmosfera residual circundante como propelente para a geração de tração. No entanto, o desempenho dos propulsores eléctricos piora devido à necessidade de colectar a atmosfera em regime molecular através de um sistema de admissão. Além disso, as espécies atmosféricas têm um desempenho inferior em comparação com propelentes típicos como o xénon. Esta tese tem como objetivo identificar os requisitos para manter a altitude de um veículo espacial em órbitas muito baixas e avaliar a viabilidade da utilização da tecnologia ABEP para este fim. Para tal, foi desenvolvida uma aplicação em MATLAB® para caracterizar o ambiente orbital e calcular o desempenho necessário para operar numa missão helio-síncrona especificada pelo utilizador. A missão GOCE, que orbitou a altitudes muito baixas, foi reproduzida pela aplicação e os seus resultados foram validados comparando-os com os dados de voo reportados. Além disso, os resultados da simulação forneceram informações valiosas sobre a viabilidade da incorporação deste tipo de propulsores eléctricos em missões semelhantes à GOCE.
Órbitas terrestres muito baixas oferecem inúmeras vantagens para as missões de observação terrestre como, por exemplo, melhor resolução e redução do custo. No entanto, baixar a altitude operacional dos satélites introduz certos desafios, tais como: maior densidade atmosférica e, consequentemente, maior resistência atmosférica e energia requerida. A propulsão eléctrica convencional tem dificuldade em manter estas missões em órbitas muito baixas durante períodos prolongados devido ao arrasto atmosférico significativo que esgota o propelente a bordo. Por consequência, a tecnologia air-breathing electric propulsion (ABEP) tornou-se promissora uma vez que utiliza o atmosfera residual circundante como propelente para a geração de tração. No entanto, o desempenho dos propulsores eléctricos piora devido à necessidade de colectar a atmosfera em regime molecular através de um sistema de admissão. Além disso, as espécies atmosféricas têm um desempenho inferior em comparação com propelentes típicos como o xénon. Esta tese tem como objetivo identificar os requisitos para manter a altitude de um veículo espacial em órbitas muito baixas e avaliar a viabilidade da utilização da tecnologia ABEP para este fim. Para tal, foi desenvolvida uma aplicação em MATLAB® para caracterizar o ambiente orbital e calcular o desempenho necessário para operar numa missão helio-síncrona especificada pelo utilizador. A missão GOCE, que orbitou a altitudes muito baixas, foi reproduzida pela aplicação e os seus resultados foram validados comparando-os com os dados de voo reportados. Além disso, os resultados da simulação forneceram informações valiosas sobre a viabilidade da incorporação deste tipo de propulsores eléctricos em missões semelhantes à GOCE.
Description
Keywords
Air-Breathing Electric Propulsion Estudo de VI-Abilidade Matlab® Órbitas Terrestres Muito Baixas