Esta respuesta a ¿Qué tan bajo es VLEO? (La aprobación más reciente de la FCC para SpaceX) sugiere que VLEO comienza (o termina, supongo) a los 350 km.
Las dos cosas malas que conozco en VLEO son una mayor tasa de pérdida de altitud debido a la resistencia atmosférica y los efectos del oxígeno atómico (átomos de O en lugar de moléculas de O2) que son muy reactivos con muchos materiales de vuelo espacial estándar que funcionan bien en altitudes más altas. Los satélites que utilizan VLEO suelen tener una o más características:
Pregunta: ¿ Qué tecnologías permiten o al menos ayudan a la operación de satélites en órbita terrestre muy baja (VLEO)? Obviamente, la propulsión eléctrica es una categoría, pero ¿hay tipos específicos que permitan más VLEO que el propulsor de xenón COTS "normal y corriente"? ¿Existen nuevos materiales que permitan VLEO debido a su resistencia al oxígeno atómico? ¿Componentes especiales o diseños alternativos que se desvían de los utilizados en LEO regulares que reducen la resistencia?
Fondo:
Sí, hay una serie de tecnologías diferentes que conozco que se están desarrollando específicamente para permitir y ayudar a los satélites a operar de manera sostenible en órbitas de menor altitud. El proyecto DISCOVERER (European Horizon 2020) tiene como objetivo desarrollar algunas de estas tecnologías fundamentales y Skyeon , una empresa estadounidense emergente, también tiene algunas patentes en esta área.
Materiales para Aerodinámica Orbital
La atmósfera en VLEO está altamente enrarecida y la aerodinámica en VLEO se rige principalmente por las interacciones que ocurren directamente entre las partículas de gas incidentes y las superficies de la nave espacial. Estas interacciones gas-superficie (GSI) dependen de las propiedades de la superficie y de las partículas de gas. Si ocurre un intercambio significativo de energía o cantidad de movimiento en la superficie, el arrastre experimentado será generalmente alto. Sin embargo, si se puede reducir el intercambio de energía o cantidad de movimiento en la superficie, entonces se puede reducir la resistencia aumentando la vida útil orbital y reduciendo los requisitos para la compensación de la resistencia propulsora.
La composición de la atmósfera en VLEO también se caracteriza por una concentración relativamente alta de oxígeno atómico, una especie de gas reactivo que puede adsorberse en las superficies causando contaminación y también erosión de la superficie. Ambos procesos hacen que los materiales típicos del entorno VLEO generen la resistencia aerodinámica experimentada.
Actualmente se están realizando investigaciones sobre nuevos materiales para identificar aquellos que son idealmente resistentes a la adsorción superficial y la erosión por el oxígeno atómico, y que tienen propiedades GSI que pueden reducir la resistencia. Algunos candidatos interesantes incluyen polímeros autopasivantes, recubrimientos de óxido delgado, nanocompuestos y otros materiales 2D. Sin embargo, hasta el momento, estos materiales no se han probado en órbita ni se han caracterizado completamente en condiciones ambientales similares. Ver:
Para lograr la reducción de la resistencia, estos materiales también deben combinarse con diseños o conceptos apropiados para satélites que tienen superficies con ángulos de incidencia bajos con respecto al flujo que se aproxima.
Propulsión eléctrica por respiración atmosférica (ABEP)
Si bien cualquier mejora en la propulsión eléctrica ayudará a compensar la resistencia aerodinámica en VLEO, el volumen/masa del propulsor lanzado con el satélite seguirá limitando la vida útil, a menos que se pueda suministrar propulsor adicional mientras está en órbita o se reactive el satélite (como el ISS] 7 ). Además, a altitudes muy bajas, el empuje requerido para compensar la resistencia aumenta significativamente y el intercambio entre empuje, impulso específico y potencia se vuelve aún más problemático.
Los sistemas ABEP proponen recolectar las partículas del flujo atmosférico residual y utilizarlas como propulsor en un propulsor eléctrico, eliminando la necesidad de llevar propulsor a bordo. Los problemas tecnológicos clave incluyen el diseño de tomas atmosféricas que pueden recolectar y atrapar de manera eficiente las partículas atmosféricas enrarecidas para su uso como propulsor y el diseño de propulsores eléctricos que pueden adaptarse a diferentes tasas de flujo másico. Los propulsores también deben tener una vida útil suficiente mientras usan los propulsores atmosféricos recolectados, lo cual es un desafío debido a la erosión de los electrodos que puede ocurrir.
Algunos desarrollos recientes interesantes incluyen la primera demostración en tierra del prototipo RAM-EP por parte de la ESA y el encendido del propulsor de plasma inductivo basado en Helicon del IRS en la Universidad de Stuttgart que es sin contacto (es decir, sin rejillas de aceleración, electrodos, neutralizadores) y no no sufrir los problemas de erosión.
Actitud aerodinámica y control de órbita
Las fuerzas y los pares aerodinámicos en los satélites a menudo se consideran una perturbación. Sin embargo, si se utilizan correctamente, podrían ayudar a realizar maniobras de control de actitud u órbita que reducen los requisitos de los sistemas convencionales de control de actitud y órbita. Los ejemplos de control de la órbita incluyen el mantenimiento de la constelación, el vuelo en formación, el encuentro y la orientación de la interfaz de reentrada atmosférica. Los conceptos de control de actitud incluyen la puntería, la gestión del impulso y el ajuste. En la actualidad, estos métodos de control generalmente están limitados por la baja relación aerodinámica de elevación a arrastre de los materiales convencionales. Sin embargo, existe una amplia gama de literatura sobre estos diferentes conceptos.
Las maniobras basadas en el arrastre diferencial se han empleado en órbita antes, por ejemplo, para el despliegue de elementos de la constelación Planet Labs y en la demostración del mantenimiento de formación relativa por parte de la misión AeroCube-4 . MagSat también demostró el uso del control aerodinámico para realizar algunos controles de ajuste e impulso de las ruedas de reacción.
Sensores atmosféricos
La implementación de ABEP y el control aerodinámico se beneficiaría de nuevos sensores que pueden proporcionar información sobre la densidad atmosférica in situ, la composición y la velocidad del flujo que se aproxima. Dichos sensores para flujos enrarecidos actualmente no tienen la combinación de sensibilidad y respuesta para usarse "en el circuito" para estas aplicaciones.