Intake Design, and Optimization for an Atmosphere- Breathing Electric Propulsion System

Over the last two decades, Very Low Earth Orbit (VLEO) has gained researchers attention as it provides a significant amount of benefits in the field of earth observation and telecommunications. VLEO provides increased payload performance, improved geospatial accuracy, lower launch mass, simplified end of life disposal, and they reduce space-debris collision risk. However, the utilization of orbits with such low altitudes presents its own set of challenges, denser atmosphere will significantly increase aerodynamic drag, decaying the orbit in a short period of time. Besides increased drag VLEO environment will produce high levels of spacecraft (SC) charging and the presence of atomic oxygen will generate a constant erosion on the surfaces of the SC. An Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP) ingests the residual atmosphere through an intake and uses it as propellant for an electric thruster. Theoretically applicable to any planet with an atmosphere, the system might allow drag compensation for an unlimited time without carrying propellant. In this thesis, different approaches for an intake are introduced, while the modeling, and numerical testing by Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) is also presented. The intake is optimized for the RF Helicon-based Plasma Thruster (IPT) developed at IRS and a new concept design takes advantage of new materials properties, for specular surface interactions. Simulation results over different altitudes and conditions used for the verification of the design have been performed achieving a maximum collection efficiency of 94%. Under de senaste två decennierna har “Very Low Earth Orbit“ VLEO fått stor uppmärksamhet inom forskningsvärlden då det leder till en mängd fördelar inom jordobservation och telekommunikation. VLEO ger ökad nyttolastprestanda, förbättrad geospatial noggrannhet, lägre startmassa, förenklat bortförskaffande och minskning kollisionsrisken för rymdskräp. Användningen av omloppsbanor på så låg höjd medför dessvärre också utmaningar. Den lägre höjden innebär tätare atmosfär och ökar därav det aerodynamiska luftmotståndet avsevärt. Förutom ökad luftmotstånd kommer miljön i VLEO att producera höga nivåer av rymdfarkostladdning och närvaron av atomärt syre leder till en konstant erosion av farkosters ytor. En ABEP leder in den återstående atmosfären genom ett intag och använder den som drivmedel för en elektrisk drivraket. Teoretiskt tillämpbart på alla planeter med en atmosfär, kan systemet tillåta luftmotståndskompensation under obegränsad tid utan något annat drivmedel än den redan befintliga atmosfären. I denna avhandling presenteras olika modeller för ett intag samtidigt som modellering och numerisk testning av DSMC också presenteras. Intaget optimeras för den IPT som utvecklats vid IRS och en ny konceptdesign utnyttjar nya materialegenskaper för speciella ytinteraktioner. Simuleringsresultat över olika höjder och förhållanden som används för verifiering av designen har utförts och resulterat i en maximal insamlingseffektivitet på 94%.In den letzten zwei Jahrzenten gewann die tiefe Erdumlaufbahn “Very Low Earth Orbit“ (VLEO) durch die erheblichen Vorteile für Erdbeobachtung und Telekommunikation an Aufmerksamkeit in der Wissenschaft. VLEO ermöglicht eine höhere Nutzlastleistung, verbesserte räumliche Genauigkeit, eine geringere Startmasse, vereinfachte “End-of-Life“ - Entsorgung und verringert das Kollisionsrisiko von Weltraumschrott. Die Nutzung von Umlaufbahnen in diesen geringen Höhen stellt jedoch auch eine Reihe von Herausforderungen dar. Die dichtere Atmosphäre im VLEO erhöht den Luftwiderstand erheblich und verringert die Umlaufbahn in kurzer Zeit. Neben dem erhöhten Luftwiderstand tritt auch hohe Raumschiff- oder Satellitenladung auf und durch atomaren Sauerstoff entsteht konstante Erosion an den Oberflächen. Ein atmosphärenatmender elektrischer Antrieb (ABEP) nimmt die Restatmosphäre über einen Einlass auf und verwendet sie als Treibstoff für ein elektrisches Triebwerk. Theoretisch auf jeden Planeten mit Atmosphäre anwendbar, könnte das System so den Widerstand zeitlich unbefristet ohne Treibstoffverwendung kompensieren. In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze für einen Einlass vorgestellt, und die Modellierung und numerischen Tests durch die “Direct Simulation Monte Carlo“ (DSMC) werden präsentiert. Der Einlass ist für den am IRS entwickelten RF Helicon-basierten Plasma Thruster (IPT) optimiert. Ein neues Konzeptdesign nutzt neue Materialeigenschaften für spiegelartige Oberflächen-Reflektionseigenschaften. Simulationsergebnisse verschiedener Höhen und Konditionen wurden zu der Überprüfung des Entwurfs verwendet, wobei eine maximale Einlassammlungswirkungsgrad von 94% erreicht wurde.