Diese Antwort auf Wie niedrig ist VLEO? (FCCs neueste Zulassung für SpaceX) schlägt vor, dass VLEO bei 350 km beginnt (oder endet, denke ich).
Die beiden schlechten Dinge, die ich bei VLEO kenne, sind ein erhöhter Höhenverlust aufgrund des atmosphärischen Widerstands und die Auswirkungen von atomarem Sauerstoff (O-Atome anstelle von O2-Molekülen), die sehr reaktiv mit vielen Standard-Raumflugmaterialien sind, die in größeren Höhen gut funktionieren. Satelliten, die VLEO verwenden, haben normalerweise eine oder mehrere Eigenschaften:
Frage: Welche Technologien ermöglichen oder unterstützen zumindest den Satellitenbetrieb im Very Low Earth Orbit (VLEO)? Offensichtlich ist der Elektroantrieb eine Kategorie, aber gibt es bestimmte Typen, die VLEO-fähiger sind als das "normale" COTS-Xenon-Triebwerk? Gibt es neue Materialien, die aufgrund ihrer Beständigkeit gegen atomaren Sauerstoff VLEO-fähig sind? Spezielle Komponenten oder alternative Konstruktionen, die von denen des regulären LEO abweichen und den Luftwiderstand reduzieren?
Hintergrund:
Ja, mir ist bekannt, dass es eine Reihe verschiedener Technologien gibt, die speziell entwickelt werden, um Satelliten zu ermöglichen und zu unterstützen, in Umlaufbahnen mit geringerer Höhe nachhaltig zu operieren. Das DISCOVERER-Projekt (European Horizon 2020) hat das Ziel, einige dieser grundlegenden Technologien zu entwickeln, und Skeyeon , ein aufstrebendes US-Unternehmen, hat auch einige Patente in diesem Bereich.
Materialien für Orbitale Aerodynamik
Die Atmosphäre in VLEO ist stark verdünnt, und die Aerodynamik in VLEO wird hauptsächlich durch die Wechselwirkungen bestimmt, die direkt zwischen den einfallenden Gaspartikeln und den Oberflächen des Raumfahrzeugs stattfinden. Diese Gas-Oberflächen-Wechselwirkungen (GSI) sind abhängig von den Oberflächen- und Gas-Partikel-Eigenschaften. Wenn an der Oberfläche ein erheblicher Energie- oder Impulsaustausch auftritt, ist der erfahrene Widerstand im Allgemeinen hoch. Wenn jedoch der Energie- oder Impulsaustausch an der Oberfläche reduziert werden kann, dann kann der Luftwiderstand reduziert werden, was die orbitale Lebensdauer erhöht und die Anforderungen für eine Antriebswiderstandskompensation verringert.
Die Zusammensetzung der Atmosphäre in VLEO ist auch durch eine relativ hohe Konzentration an atomarem Sauerstoff gekennzeichnet, einer reaktiven Gasart, die auf Oberflächen adsorbieren kann, was zu Kontamination und auch Oberflächenerosion führt. Diese beiden Prozesse bewirken, dass typische Materialien in der VLEO-Umgebung den erfahrenen Luftwiderstand erzeugen.
Derzeit wird an neuen Materialien geforscht, um diejenigen zu identifizieren, die idealerweise widerstandsfähig gegen Oberflächenadsorption und Erosion durch atomaren Sauerstoff sind und die GSI-Eigenschaften haben, die den Luftwiderstand verringern können. Einige interessante Kandidaten sind selbstpassivierende Polymere, dünne Oxidbeschichtungen, Nanokomposite und andere 2D-Materialien. Bisher wurden diese Materialien jedoch noch nicht im Orbit getestet oder unter ähnlichen Umgebungsbedingungen vollständig charakterisiert. Sehen:
Um die Widerstandsreduzierung zu erreichen, müssen diese Materialien auch mit entsprechenden Designs oder Konzepten für Satelliten kombiniert werden, die Oberflächen mit flachen Anströmwinkeln zur Anströmung aufweisen.
Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP)
Während jede Verbesserung des elektrischen Antriebs die Widerstandskompensation in VLEO unterstützt, wird das Volumen/die Masse des mit dem Satelliten abgeschossenen Treibmittels immer noch die Lebensdauer begrenzen, es sei denn, es kann während des Orbits zusätzliches Treibmittel zugeführt werden oder der Satellit wird neu aufgeladen (wie die ISS) 7 ). Darüber hinaus steigt in sehr niedrigen Höhen der zur Kompensation des Luftwiderstands erforderliche Schub erheblich an, und der Kompromiss zwischen Schub, spezifischem Impuls und Leistung wird noch problematischer.
ABEP-Systeme schlagen vor, die Partikel aus dem atmosphärischen Reststrom zu sammeln und sie als Treibmittel in einem elektrischen Triebwerk zu verwenden, wodurch die Notwendigkeit entfällt, Treibmittel an Bord zu tragen. Zu den wichtigsten technologischen Problemen gehören die Gestaltung der atmosphärischen Einlässe, die die verdünnten atmosphärischen Partikel zur Verwendung als Treibmittel effizient sammeln und einfangen können, und die Gestaltung elektrischer Triebwerke, die unterschiedliche Massendurchflussraten aufnehmen können. Die Triebwerke müssen auch eine ausreichende Lebensdauer haben, während sie die gesammelten atmosphärischen Treibmittel verwenden, was aufgrund der auftretenden Erosion der Elektroden eine Herausforderung darstellt.
Einige interessante neuere Entwicklungen umfassen die erste Bodendemonstration des RAM-EP-Prototyps durch die ESA und die Zündung des Helicon-basierten induktiven Plasma-Triebwerks des IRS an der Universität Stuttgart, das kontaktlos ist (dh keine Beschleunigungsgitter, Elektroden, Neutralisatoren) und dies tut nicht unter Erosionsproblemen leiden.
Aerodynamische Fluglage und Orbitkontrolle
Die aerodynamischen Kräfte und Drehmomente auf Satelliten werden oft als Störfaktor angesehen. Bei richtiger Anwendung könnten sie jedoch dazu beitragen, Manöver zur Lage- oder Umlaufbahnsteuerung durchzuführen, die die Anforderungen an herkömmliche Lage- und Umlaufbahn-Steuerungssysteme reduzieren. Beispiele für die Umlaufbahnsteuerung umfassen Konstellationswartung, Formationsflug, Rendezvous und atmosphärische Wiedereintrittsschnittstellenzielung. Zu den Konzepten der Fluglagenkontrolle gehören das Zeigen, das Impulsmanagement und die Trimmung. Gegenwärtig sind diese Steuerungsverfahren im Allgemeinen durch das niedrige aerodynamische Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand herkömmlicher Materialien begrenzt. Es gibt jedoch eine umfangreiche Literatur zu diesen unterschiedlichen Konzepten.
Manöver auf der Grundlage von Differentialwiderstand wurden zuvor im Orbit eingesetzt, zum Beispiel für den Einsatz von Elementen der Planet Labs-Konstellation und zur Demonstration der Aufrechterhaltung der relativen Formation durch die AeroCube-4-Mission . MagSat demonstrierte auch die Verwendung der aerodynamischen Steuerung, um eine gewisse Trimm- und Impulssteuerung von Reaktionsrädern durchzuführen.
Atmosphärische Sensoren
Die Implementierung sowohl von ABEP als auch aerodynamischer Steuerung würde von neuen Sensoren profitieren, die Informationen über die atmosphärische Dichte, Zusammensetzung und Geschwindigkeit der ankommenden Strömung vor Ort liefern können. Solche Sensoren für verdünnte Strömungen haben derzeit nicht die Kombination aus Empfindlichkeit und Reaktion, um für diese Anwendungen "in-the-loop" verwendet zu werden.