Rakete, um 8 Cubesat in gleicher Entfernung zu LEO zu starten

Mit Triebwerken auf einzelnen CubeSats sind Sie definitiv besser dran, wenn Sie die Gesamtmasse berücksichtigen: letzte Stufe + Nutzlast. Um die erforderliche Entfernung mit einem einzigen Start zu erreichen, müssen Sie die Satelliten in eine elliptische Umlaufbahn bringen, die tangential zum Ziel ist, jedoch mit einer Periode, die um 1/8 oder ein ganzzahliges Vielfaches von 1/8 kürzer oder länger ist.

Bei dieser Art von Problemen ist die Umlaufzeit das bestimmende Merkmal der benötigten Umlaufbahnen. Anders als bei den meisten anderen Problemen der Orbitalmechanik sind die große Halbachse, die Exzentrizität, die Geschwindigkeit an den Apsiden, all diese Dinge von der Umlaufzeit abzuleiten, und es ist die Umlaufzeit der Umlaufbahn - Zeit, um einen "vollen Kreis" zu machen - das ist es Steuervariable, die alle anderen beherrscht.

Um das Beispiel zu vereinfachen, lassen Sie uns den Multiplikator auf 1 setzen, und so wäre die Periode der Umlaufbahn, in der die CubeSats eingesetzt werden, 9/8 des gewünschten Werts (die Verwendung von 7/8 wäre stattdessen billiger, aber wenn es LEO ist, wäre das wahrscheinlich führt zu einer Wiedereintrittsbahn.) Also setzt das Raumschiff die CubeSats ein, feuert dann rückläufig, um zu verbrennen und kein Weltraumschrott zu sein, oder geht woanders hin, um die Hauptnutzlast abzuwerfen. Der erste Cubesat wird sofort langsamer, bis er in die Zielumlaufbahn eintritt, während der Rest auf der elliptischen Umlaufbahn weiterfährt. Nach Abschluss einer Umlaufbahn zündet der nächste Satellit sein Triebwerk - er befindet sich 1/8 der Umlaufbahn hinter dem ersten (es dauerte 1/8 länger, um an dieselbe Stelle zurückzukehren). Der Rest geht weiter. Beim nächsten Orbit feuert ein weiterer, um 1/8 des Orbits nach dem zweiten und 1/4 nach dem ersten zu parken. Usw.

Wenn Sie jetzt CubeSats ohne Antrieb verwenden, anstatt sie in die Zielumlaufbahn zu bringen, müssen Sie die Antriebsstufe verlangsamen, CubeSat einsetzen, zurück auf die 9/8-Umlaufbahn beschleunigen (mit allen verbleibenden CubeSats an Bord), eine Umlaufbahn später langsam nach unten, um die nächste in die Zielumlaufbahn zu bringen, wieder zu beschleunigen, immer und immer wieder - und die gesamte Nutzlast zu verlangsamen oder zu beschleunigen, die sie noch nicht eingesetzt hat. Ich hoffe, Sie sehen, wie das in Bezug auf Treibstoff und Startmasse furchtbar teuer wird.

In der Praxis würden Sie wahrscheinlich mit einem kleineren Multiplikator gehen - 1/8 einer LEO-Periode ist eine Menge Delta-V und wahrscheinlich zu viel für mickrige Gastriebwerke, aber stattdessen können Sie in eine Umlaufbahn eintreten, die beispielsweise 65/ 64. der Zielperiode, jede Umlaufbahn würde den eingesetzten Schwarm vom letzten CubeSat, der sich bereits in der Zielumlaufbahn befindet, um 1/64 der Umlaufbahn entfernen, so dass nach 8 Umlaufbahnen der nächste CubeSat seinen Motor abfeuert und beginnt, dem vorherigen 1/8 Umlaufbahn hinterher zu folgen .

Es tut mir leid, aber ich werde nicht bei der Auswahl des richtigen Raumschiffs helfen.

Ich suchte nach einer Konstellation von Smallsats (es sind keine Cubesats), die in der Lage waren, sich nur durch Ziehen zu verteilen. Ich vermutete, dass es TROPICS war , aber das wurde noch nicht veröffentlicht. Aber ich habe es endlich gefunden, und es stellt sich als Cyclone Global Navigation Satellite System oder CYGNSS heraus und wird in Wie können die CYGNSS-Raumfahrzeuge (tatsächlich) die Meeresrauheit messen? .

Die Technik wird Differentialwiderstand genannt . Kurz gesagt, Sie verwenden die Lagesteuerung eines kleinen Satelliten, um seinen Luftwiderstand relativ zu den anderen zu erhöhen oder zu verringern. Alle Satelliten in einer bestimmten erdnahen Umlaufbahn erfahren einen Luftwiderstand und ihre Umlaufbahnen werden ständig fallen und ihre Perioden verkürzen sich, aber wenn einer etwas schneller fällt, wird er relativ zu den anderen "beschleunigen" und sich relativ zu ihnen in Phase vorwärts bewegen.

Während es zunächst wie "kostenlose" oder kostenlose Manövrierfähigkeit erscheint, geht dies zu Lasten aller Satelliten, die schließlich ihre Umlaufbahn verlassen. Wenn die Lebensdauer der Mission jedoch nur wenige Jahre beträgt, ist dies kein Problem.

Siehe zum Beispiel die Antwort von @Terrance Yee auf Was geht in die Planung und Ausführung des Einsatzes von Gruppen von LEO-Satelliten ein?

Wikipedia erklärt, dass es einen differentiellen Luftwiderstand verwendet , um Raumfahrzeuge zumindest innerhalb einer bestimmten Orbitalebene zu bewegen.

Der Abstand zwischen den Satelliten wird durch Anpassen der Ausrichtung des Raumfahrzeugs und infolgedessen des Unterschieds im atmosphärischen Luftwiderstand zwischen den Satelliten gesteuert. Diese Technik wird als Differentialwiderstand bezeichnet. Eine Erhöhung des Luftwiderstands verringert die Höhe eines Satelliten und erhöht seine Umlaufgeschwindigkeit. ²⁶ Der Abstand zwischen Raumfahrzeugen ändert sich aufgrund ihrer Relativgeschwindigkeiten. Dies ist eine alternative Möglichkeit, den Abstand zwischen einer Konstellation von Satelliten zu verwalten, im Gegensatz zur Verwendung eines herkömmlichen aktiven Antriebs, und ist wesentlich kostengünstiger. Es ermöglicht den Bau von mehr Satelliten für die gleichen Nettokosten, was zu häufigeren Proben von kurzlebigen, extremen Wetterereignissen wie tropischen Wirbelstürmen führt. ¹⁶Differentialwiderstandsmanöver wurden während der ersten anderthalb Jahre des Betriebs im Orbit durchgeführt und haben zu einer gut verteilten Konstellation geführt, die in der Lage ist, Messungen mit den gewünschten Probenahmeeigenschaften durchzuführen. ²⁷ , ²⁸

¹⁶ Ruf, Christopher S. et al. (2015) Neue Satellitenmission für Ozeanwinde zur Untersuchung von Hurrikanen und tropischer Konvektion

²⁶ Finley, T.; Rose, D. (2014). Astrodynamik 2013: Proceedings of the AAS/AIAA Astrodynamics Specialist Conference, gehalten vom 11. bis 15. August 2013, Hilton Head, South Carolina, USA 150. American Institute of Aeronautics and Astronautics. S. 1397–1411.

²⁷ Ruf, Christopher et. al (2018) Ein neues Paradigma in der Erdumweltüberwachung mit der CYGNSS Small Satellite Constellation .

²⁸ Bussy-Virat, CD et al. (2018) Assessment of the Differential Drag Manoeuvre Operations on the CYGNSS Constellation (paywalled). IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 12: 7–15.

Siehe auch Differential Drag Control Scheme for Large Constellation of Planet Satellites und On-Orbit Results in arXiv. Es stammt vom 9. Internationalen Workshop über Satellitenkonstellationen und Formationsfliegen, Boulder, CO, 19.-21. Juni 2017 und bezieht sich auf die Konstellationen von Dove-Satelliten von Planet Labs . Hier ist die Zusammenfassung:

Es wird eine Methodik für die differentielle Luftwiderstandssteuerung einer großen Flotte von antriebslosen Satelliten vorgestellt, die in der gleichen Umlaufbahn eingesetzt werden. Der Controller platziert Satelliten in einer Konstellation mit spezifizierten Winkelversätzen und einer relativen Geschwindigkeit von null. Eine zeitoptimale Phaseneinstellung wird erreicht, indem zuerst eine geeignete relative Platzierung bestimmt wird, dh die Reihenfolge der Satelliten. Ein zweites Optimierungsproblem wird dann als großes gekoppeltes System gelöst, um das für jeden Satelliten erforderliche Schleppbefehlsprofil zu finden. Die Kontrollautorität ist das verfügbare Verhältnis von ballistischen Koeffizienten mit niedrigem Luftwiderstand zu hohem Luftwiderstand der Satelliten, wenn sie in ihrem Hintergrundmodus arbeiten. Der Controller ist in der Lage, Konstellationen mit bis zu 100 Satelliten in Simulationen erfolgreich zu phasen.

Hier ist ein Beispiel für eine Simulation der Verwendung des Wechselns zwischen Konfigurationen mit hohem und niedrigem Luftwiderstand, um eine gleichmäßig beabstandete Phasenlage zu erreichen und diese dann durch kleine, stationäre Luftwiderstandsanpassungen beizubehalten:

Abbildung 8: Zeitdiskretisierte High-Drag-Befehle werden zugewiesen, um gewünschte Slots (b) mit Befehlen zu erreichen

Abbildung 9: Lagemodi des Dove-Satelliten ermöglichen große Widerstandsflächenverhältnisse (a) Orthografische Projektionen mit Querschnittsflächen. (b) Einstellungen mit hohem Luftwiderstand und niedrigem Luftwiderstand