Extension of orbital lifetime of low Earth orbit satellites through specular scattering by monocrystalline sapphire
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-10-21
Department
Major/Subject
Avaruustiede ja -teknologia
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
88
Series
Abstract
Operating satellite missions in the segment of low Earth orbit below 450 km of altitude is a topic of increasing interest for both national space agencies and private entities. This range of orbital altitudes is more specifically referred to as the Very Low Earth Orbit (VLEO). The major motivations are reducing risks posed by space debris with respect to higher orbits, easier mitigation of new space debris and following easier regulatory environment, and shorter distance to Earth surface for remote sensing. The principal difficulty with operating satellites at VLEO altitudes is the significant drag caused by the outer reaches of the atmosphere, which is called the thermosphere at this altitude. In this thesis we investigate an approach to reduce the drag experienced by a satellite at VLEO altitudes through specular near-elastic scattering of thermospheric neutrals. This scattering behavior is achieved through high angle of incidence collisions on a smooth monocrystalline ceramic nose cone geometry, aligned against the incoming flux of particles. In this thesis the monocrystalline material investigated is sapphire. We separate the problem into distinct parts: First, a mathematical investigation of the thermospheric gas, and its kinetic and statistical properties, which results in an analytical method to compute the particle flux and impinged momentum on a surface element in parametric conditions. Second, a molecular dynamic simulation of neutral oxygen atom collisions on a sapphire surface, over an exhaustive parameter space of collision angles and energies. We use the molecular dynamics code LAMMPS for simulations. Oxygen is chosen as the projectile element after it is established that oxygen dominates in the VLEO region of thermosphere. Third, a fusion of the results of the two previous parts, that ultimately yields us an orbital aerodynamic force model: This model is sensitive to molecular physics, angle-of-incidence variability in scattering elasticity and isotropy; even adsorption and spallation effects contribute to the resultant aerodynamic forces according to physical parameters. Finally, we use the aerodynamic model and find that it indicates significant drag reduction capabilities for realistic sapphire nose cone geometries.Satelliittien operointi matalilla ratatasoilla alle 450 km korkeudessa herättää enenevässä määrin mielenkiintoa sekä kansallisten avaruusjärjestöjen että yksityisten toimijoiden taholta. Tämän erittäin mataliksi radoiksi kutsutun alueen tekee houkuttelevaksi erityisesti siellä tavattavan avaruusromun vähäisyys, uuden romun syntymisen helppo hillintä, tästä seuraava sallivampi lainsäädäntö, sekä lyhyempi etäisyys Maahan. Etenkin kaukokartoitus hyötyy lyhyemmästä etäisyydestä Maan pintaan. Keskeinen hankaluus erittäin matalien ratojen käytössä on yläilmakehän aiheuttama merkittävä kitkavastus. Näillä korkeuksilla tavattavaa osaa ilmakehästä kutsutaan termosfääriksi. Tässä diplomityössä tarkastelemme menetelmää kitkavastuksen vähentämiseen erittäin matalilla radoilla, joka perustuu termosfäärin neutraalien partikkelien lähes elastiseen spekulaariin sirontaan. Tällainen sironta saavutetaan ohjaamalla termosfääripartikkelit törmäämään loivassa kulmassa monokristallisen keraamisen nokkakartion pintaan. Tässä diplomityössä tarkastelemme monokristallisena aineena safiiria. Jaamme ongelman käsittelyn karkeasti kolmeen osaan: Aluksi tarkastelemme termosfäärikaasua ja sen kineettisiä ominaisuuksia matemaattisesti, sekä kehitämme analyyttisen kuvauksen satelliitin pintaelementin kohtaamalle hiukkasvuolle ja siihen siirtyvälle liikemäärälle. Tämä kuvaus on parametrinen oleellisten ympäristömuuttujien suhteen. Toisessa vaiheessa luomme kohtauskulman ja -energian parametriavaruuden täysin kattavan molekyylimekaanisen simulaation happiatomien törmäyksestä safiirin pintaan. Molekyylimekaaniseen mallinnukseen käytämme LAMMPS kirjastoa. Valitsemme hapen mallinnettavaksi törmääjäksi havaittuamme että se muodostaa suuren valtaosan ilmakehästä erittäin matalilla radoilla. Kolmannessa vaiheessa yhdistämme aiempien vaiheiden keskeiset tulokset numeerisessa integroinnissa edellämainitun parametriavaruuden yli, ja tuotamme näin aerodynaamisen voimamallin termosfäärin olosuhteisiin. Tämä malli nivoo sisäänsä kaikki toisen työvaiheen molekyylimekaniikan poikkeamat ideaalista elastisesta kimpoamisesta, ja ilmentää jopa adsorbtion ja spallaation vaikutuksia pintaelementtiin siirtyvään liikemäärään. Lopuksi käytämme luomaamme aerodynaamista mallia kitkavastuksen tarkasteluun. Havaitsemme että malli ennustaa toteutuskelpoisten nokkakartioiden vähentävän satelliitin vastusvoimia merkittävästi.Description
Supervisor
Praks, JaanThesis advisor
Sand, AndreaKeywords
space, satellites, molecular dynamics, thermosphere, VLEO, very low earth orbit, orbital drag, orbital aerodynamics, aerospace, thesis, sapphire