Energy Analysis of Bare Electrodynamic Tethers

The design of an electrodynamic tether is a complex task that involves the control of dynamic instabilities, optimization of the generated power (or the descent time in deorbiting missions), and minimization of the tether mass. The electrodynamic forces on an electrodynamic tether are responsible for variations in the mechanical energy of the tethered system and can also drive the system to dynamic instability. Energy sources and sinks in this system include the following: 1) ionospheric impedance, 2) the potential drop at the cathodic contactor, 3) ohmic losses in the tether, 4) the corotational plasma electric field, and 5) generated power and/or 6) input power. The analysis of each of these energy components, or bricks, establishes parameters that are useful tools for tether design. In this study, the nondimensional parameters that govern the orbital energy variation, dynamic instability, and power generation were characterized, and their mutual interdependence was established. A space-debris mitigation mission was taken as an example of this approach for the assessment of tether performance. Numerical simulations using a dumbbell model for tether dynamics, the International Geomagnetic Reference Field for the geomagnetic field, and the International Reference Ionosphere for the ionosphere were performed to test the analytical approach. The results obtained herein stress the close relationships that exist among the velocity of descent, dynamic stability, and generated power. An optimal tether design requires a detailed tradeoff among these performances in a real-world scenario.

Energy Management Module for Mobile Robots in Hostile Environments

In hostile environments at CERN and other similar scientific facilities, having a reliable mobile robot system is essential for successful execution of robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy. Because of environmental constraints, such mobile robots are usually battery-powered and hence energy management and optimization is one of the key challenges in this field. The ability to know beforehand the energy consumed by various elements of the robot (such as locomotion, sensors, controllers, computers and communication) will allow flexibility in planning or managing the tasks to be performed by the robot.

Model Based On-Line Energy Prediction System for Semi-Autonomous Mobile Robots

Maximizing energy autonomy is a consistent challenge when deploying mobile robots in ionizing radiation or other hazardous environments. Having a reliable robot system is essential for successful execution of missions and to avoid manual recovery of the robots in environments that are harmful to human beings. For deployment of robots missions at short notice, the ability to know beforehand the energy required for performing the task is essential. This paper presents a on-line method for predicting energy requirements based on the pre-determined power models for a mobile robot. A small mobile robot, Khepera III is used for the experimental study and the results are promising with high prediction accuracy. The applications of the energy prediction models in energy optimization and simulations are also discussed along with examples of significant energy savings.

Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

Ranking factors affecting emissions of GHG from incubated agricultural soils

Agriculture significantly contributes to global greenhouse gas (GHG) missions and there is a need to develop effective mitigation strategies. The efficacy of methods to reduce GHG fluxes from agricultural soils can be affected by a range of interacting management and environmental factors. Uniquely, we used the Taguchi experimental design methodology to rank the relative importance of six factors known to affect the emission of GHG from soil: nitrate (NO3?) addition, carbon quality (labile and non-labile C), soil temperature, water-filled pore space (WFPS) and extent of soil compaction. Grassland soil was incubated in jars where selected factors, considered at two or three amounts within the experimental range, were combined in an orthogonal array to determine the importance and interactions between factors with a L16 design, comprising 16 experimental units. Within this L16 design, 216 combinations of the full factorial experimental design were represented. Headspace nitrous oxide (N2O), methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) concentrations were measured and used to calculate fluxes. Results found for the relative influence of factors (WFPS and NO3? addition were the main factors affecting N2O fluxes, whilst glucose, NO3? and soil temperature were the main factors affecting CO2 and CH4 fluxes) were consistent with those already well documented. Interactions between factors were also studied and results showed that factors with Little individual influence became more influential in combination. The proposed methodology offers new possibilities for GHG researchers to study interactions between influential factors and address the optimized sets of conditions to reduce GHG emissions in agro-ecosystems, while reducing the number of experimental units required compared with conventional experimental procedures that adjust one variable at a time.

High Fidelity Models for Near-Earth Object Dynamics

Motivado por los últimos hallazgos realizados gracias a los recientes avances tecnológicos y misiones espaciales, el estudio de los asteroides ha despertado el interés de la comunidad científica. Tal es así que las misiones a asteroides han proliferado en los últimos años (Hayabusa, Dawn, OSIRIX-REx, ARM, AIMS-DART, ...) incentivadas por su enorme interés científico. Los asteroides son constituyentes fundamentales en la evolución del Sistema Solar, son además grandes concentraciones de valiosos recursos naturales, y también pueden considerarse como objectivos estratégicos para la futura exploración espacial. Desde hace tiempo se viene especulando con la posibilidad de capturar objetos próximos a la Tierra (NEOs en su acrónimo anglosajón) y acercarlos a nuestro planeta, permitiendo así un acceso asequible a los mismos para estudiarlos in-situ, explotar sus recursos u otras finalidades. Por otro lado, las asteroides se consideran con frecuencia como posibles peligros de magnitud planetaria, ya que impactos de estos objetos con la Tierra suceden constantemente, y un asteroide suficientemente grande podría desencadenar eventos catastróficos. Pese a la gravedad de tales acontecimientos, lo cierto es que son ciertamente difíciles de predecir. De hecho, los ricos aspectos dinámicos de los asteroides, su modelado complejo y las incertidumbres observaciones hacen que predecir su posición futura con la precisión necesaria sea todo un reto. Este hecho se hace más relevante cuando los asteroides sufren encuentros próximos con la Tierra, y más aún cuando estos son recurrentes. En tales situaciones en las cuales fuera necesario tomar medidas para mitigar este tipo de riesgos, saber estimar con precisión sus trayectorias y probabilidades de colisión es de una importancia vital. Por ello, se necesitan herramientas avanzadas para modelar su dinámica y predecir sus órbitas con precisión, y son también necesarios nuevos conceptos tecnológicos para manipular sus órbitas llegado el caso. El objetivo de esta Tesis es proporcionar nuevos métodos, técnicas y soluciones para abordar estos retos. Las contribuciones de esta Tesis se engloban en dos áreas: una dedicada a la propagación numérica de asteroides, y otra a conceptos de deflexión y captura de asteroides. Por lo tanto, la primera parte de este documento presenta novedosos avances de apliación a la propagación dinámica de alta precisión de NEOs empleando métodos de regularización y perturbaciones, con especial énfasis en el método DROMO, mientras que la segunda parte expone ideas innovadoras para la captura de asteroides y comenta el uso del “ion beam shepherd” (IBS) como tecnología para deflectarlos. Abstract Driven by the latest discoveries enabled by recent technological advances and space missions, the study of asteroids has awakened the interest of the scientific community. In fact, asteroid missions have become very popular in the recent years (Hayabusa, Dawn, OSIRIX-REx, ARM, AIMS-DART, ...) motivated by their outstanding scientific interest. Asteroids are fundamental constituents in the evolution of the Solar System, can be seen as vast concentrations of valuable natural resources, and are also considered as strategic targets for the future of space exploration. For long it has been hypothesized with the possibility of capturing small near-Earth asteroids and delivering them to the vicinity of the Earth in order to allow an affordable access to them for in-situ science, resource utilization and other purposes. On the other side of the balance, asteroids are often seen as potential planetary hazards, since impacts with the Earth happen all the time, and eventually an asteroid large enough could trigger catastrophic events. In spite of the severity of such occurrences, they are also utterly hard to predict. In fact, the rich dynamical aspects of asteroids, their complex modeling and observational uncertainties make exceptionally challenging to predict their future position accurately enough. This becomes particularly relevant when asteroids exhibit close encounters with the Earth, and more so when these happen recurrently. In such situations, where mitigation measures may need to be taken, it is of paramount importance to be able to accurately estimate their trajectories and collision probabilities. As a consequence, advanced tools are needed to model their dynamics and accurately predict their orbits, as well as new technological concepts to manipulate their orbits if necessary. The goal of this Thesis is to provide new methods, techniques and solutions to address these challenges. The contributions of this Thesis fall into two areas: one devoted to the numerical propagation of asteroids, and another to asteroid deflection and capture concepts. Hence, the first part of the dissertation presents novel advances applicable to the high accuracy dynamical propagation of near-Earth asteroids using regularization and perturbations techniques, with a special emphasis in the DROMO method, whereas the second part exposes pioneering ideas for asteroid retrieval missions and discusses the use of an “ion beam shepherd” (IBS) for asteroid deflection purposes.

Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

Nuevas aplicaciones tecnológicas y científicas mediante amarras electrodinámicas son analizadas para misiones planetarias. i) Primero, se considera un conjunto de amarras cilíndricas en paralelo (veleros electrosolares) para una misión interplanetaria. Los iones provenientes del viento solar son repelidos por el alto potencial de dichas amarras generando empuje sobre el velero. Para conocer el intercambio de momento que provocan los iones sobre las amarras se ha considerado un modelo de potencial estacionario. Se ha analizado la transferencia orbital de la Tierra a Júpiter siguiendo un método de optimización de trayectoria indirecto. ii) Una vez que el velero se encuentra cerca de Júpiter, se ha considerado el despliegue de una amarra para diferentes objetivos científicos. iia) Una amarra podría ser utilizada para diagnóstico de plasmas, al ser una fuente efectiva de ondas, y también como un generador de auroras artificiales. Una amarra conductora que orbite en la magnetosfera jovial es capaz de producir ondas. Se han analizado las diferentes ondas radiadas por un conductor por el que circula una corriente constante que sigue una órbita polar de alta excentricidad y bajo apoápside, como ocurre en la misión Juno de la NASA. iib) Además, se ha estudiado una misión tentativa que sigue una órbita ecuatorial (LJO) por debajo de los intensos cinturones de radiación. Ambas misiones requiren potencia eléctrica para los sistemas de comunicación e instrumentos científicos. Las amarras pueden generar potencia de manera más eficiente que otros sistemas que utlizan paneles solares o sistemas de potencia de radioisótopos (RPS). La impedancia de radiación es necesaria para determinar la corriente que circula por todo el circuito de la amarra. En un modelo de plasma frío, la radiación ocurre principalmente en los modos de Alfven y magnetosónica rápida, mostrando un elevado índice de refracción. Se ha estudiado la impedancia de radiación en amarras con recubrimiento aislante para los dos modos de radiación y cada una de las misiones. A diferencia del caso ionosférico terrestre, la baja densidad y el intenso campo magnético que aparecen en el entorno de Júpiter consiguen que la girofrecuencia de los electrones sea mucho mayor que la frecuencia del plasma; esto hace que el espectro de potencia para cada modo se modifique substancialmente, aumentando la velocidad de Alfven. Se ha estimado también la impedancia de radiación para amarras sin aislante conductor. En la misión LJO, un vehículo espacial bajando lentamente la altitud de su órbita permitiría estudiar la estructura del campo magnético y composición atmosférica para entender la formación, evolución, y estructura de Júpiter. Adicionalmente, si el contactor (cátodo) se apaga, se dice que la amarra flota eléctricamente, permitiendo emisión de haz de electrones que generan auroras. El continuo apagado y encendido produce pulsos de corriente dando lugar a emisiones de señales, que pueden ser utilizadas para diagnóstico del plasma jovial. En Órbita Baja Jovial, los iones que impactan contra una amarra polarizada negativamente producen electrones secundarios, que, viajando helicoidalmente sobre las líneas de campo magnético de Júpiter, son capaces de alcanzar su atmósfera más alta, y, de esta manera, generar auroras. Se han identificado cuáles son las regiones donde la amarra sería más eficiente para producir auroras. iic) Otra aplicación científica sugerida para la misión LJO es la detección de granos cargados que orbitan cerca de Júpiter. Los electrones de alta energía en este ambiente pueden ser modelados por una distribucción no Maxwelliana conocida como distribución kappa. En escenarios con plasmas complejos, donde los campos eléctricos en Júpiter pueden acelerar las cargas hasta velocidades que superen la velocidad térmica, este tipo de distribuciones son muy útiles. En este caso las colas de las distribuciones de electrones siguen una ley de potencias. Se han estudiado las fluctuaciones de granos cargados para funciones de distribución kappa. iii) La tesis concluye con el análisis para deorbitar satélites con amarras electrodinámicas que siguen una Órbita Baja Terrestre (LEO). Una amarra debe presentar una baja probabilidad de corte por pequeño debris y además debe ser suficientemente ligero para que el cociente entre la masa de la amarra y el satélite sea muy pequeño. En este trabajo se estiman las medidas de la longitud, anchura y espesor que debe tener una amarra para minimizar el producto de la probabilidad de corte por el cociente entre las masas de la amarra y el satélite. Se presentan resultados preliminares del diseño de una amarra con forma de cinta para deorbitar satélites relativamente ligeros como Cryosat y pesados como Envisat. Las misiones espaciales a planetas exteriores y en el ámbito terrestre plantean importantes retos científico-tecnológicos que deben ser abordados y solucionados. Por ello, desde el inicio de la era espacial se han diseñando novedosos métodos propulsivos, sistemas de guiado, navegación y control más robustos, y nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los vehículos espaciales (SC). En un gran número de misiones interplanetarias y en todas las misiones a planetas exteriores se han empleado sistemas de radioisótopos (RPS) para generar potencia eléctrica en los vehículos espaciales y en los rovers de exploración. Estos sistemas emplean como fuente de energía el escaso y costoso plutonio-238. La NASA, por medio de un informe de la National Academy of Science (5 de Mayo del 2009), expresó una profunda preocupación por la baja cantidad de plutonio almacenado, insuficiente para desarrollar todas las misiones de exploración planetaria planeadas en el futuro [81, 91]. Esta circustancia ha llevado a dicha Agencia tomar la decisión de limitar el uso de estos sistemas RPS en algunas misiones de especial interés científico y una recomendación de alta prioridad para que el Congreso de los EEUU apruebe el reestablecimiento de la producción de plutonio-238, -son necesarios cerca de 5 kg de este material radiactivo al año-, para salvaguardar las misiones que requieran dichos sistemas de potencia a partir del año 2018. Por otro lado, la Agencia estadounidense ha estado considerando el uso de fuentes de energía alternativa; como la fisión nuclear a través del ambicioso proyecto Prometheus, para llevar a cabo una misión de exploración en el sistema jovial (JIMO). Finalmente, dicha misión fue desestimada por su elevado coste. Recientemente se han estado desarrollando sistemas que consigan energía a través de los recursos naturales que nos aporta el Sol, mediante paneles solares -poco eficientes para misiones a planetas alejados de la luz solar-. En este contexto, la misión JUNO del programa Nuevas Fronteras de la NASA, cuyo lanzamiento fue realizado con éxito en Agosto de 2011, va a ser la primera misión equipada con paneles solares que sobrevolará Júpiter en el 2015 siguiendo una órbita polar. Anteriormente se habían empleado los antes mencionados RPS para las misiones Pioneer 10,11, Voyager 1,2, Ulysses, Cassini-Huygens y Galileo (todas sobrevuelos excepto Galileo). Dicha misión seguirá una órbita elíptica de alta excentricidad con un periápside muy cercano a Júpiter, y apoápside lejano, evitando que los intensos cinturones de radiación puedan dañar los instrumentos de navegación y científicos. Un tether o amarra electrodinámica es capaz de operar como sistema propulsivo o generador de potencia, pero también puede ser considerado como solución científicotecnológica en misiones espaciales tanto en LEO (Órbita Baja Terrestre) como en planetas exteriores. Siguiendo una perspectiva histórica, durante las misiones terrestres TSS-1 (1992) y TSS-1R (1996) se emplearon amarras estandard con recubrimiento aislante en toda su longitud, aplicando como terminal anódico pasivo un colector esférico para captar electrones. En una geometría alternativa, propuesta por J. R. Sanmartín et al. (1993) [93], se consideró dejar la amarra sin recubrimiento aislante (“bare tether”), y sin colector anódico esférico, de forma que recogiera electrones a lo largo del segmento que resulta polarizado positivo, como si se tratara de una sonda de Langmuir de gran longitud. A diferencia de la amarra estandard, el “bare tether” es capaz de recoger electrones a lo largo de una superficie grande ya que este segmento es de varios kilómetros de longitud. Como el radio de la amarra es del orden de la longitud de Debye y pequeño comparado con el radio de Larmor de los electrones, permite una recolección eficiente de electrones en el régimen OML (Orbital Motion Limited) de sondas de Langmuir. La corriente dada por la teoría OML varía en función del perímetro y la longitud. En el caso de una cinta delgada, el perímetro depende de la anchura, que debe ser suficientemente grande para evitar cortes producidos por debris y micrometeoritos, y suficientemente pequeño para que la amarra funcione en dicho régimen [95]. En el experimento espacial TSS-1R mencionado anteriormente, se identificó una recolección de corriente más elevada que la que predecía el modelo teórico de Parker- Murphy, debido posiblemente a que se utilizaba un colector esférico de radio bastante mayor que la longitud de Debye [79]. En el caso de una amarra “bare”, que recoge electrones a lo largo de gran parte de su longitud, se puede producir un fenómeno conocido como atrapamiento adiabático de electrones (adiabatic electron trapping) [25, 40, 60, 73, 74, 97]. En el caso terrestre (LEO) se da la condición mesotérmica en la que la amarra se mueve con una velocidad muy superior a la velocidad térmica de los iones del ambiente y muy inferior a la velocidad térmica de los electrones. J. Laframboise y L. Parker [57] mostraron que, para una función de distribución quasi-isotrópica, la densidad de electrones debe entonces ser necesariamente inferior a la densidad ambiente. Por otra parte, debido a su flujo hipersónico y a la alta polarización positiva de la amarra, la densidad de los iones es mayor que la densidad ambiente en una vasta región de la parte “ram” del flujo, violando la condición de cuasi-neutralidad,-en una región de dimensión mayor que la longitud de Debye-. La solución a esta paradoja podría basarse en el atrapamiento adiabático de electrones ambiente en órbitas acotadas entorno al tether. ABSTRACT New technological and scientific applications by electrodynamic tethers for planetary missions are analyzed: i) A set of cylindrical, parallel tethers (electric solar sail or e-sail) is considered for an interplanetary mission; ions from the solar wind are repelled by the high potential of the tether, providing momentum to the e-sail. An approximated model of a stationary potential for a high solar wind flow is considered. With the force provided by a negative biased tether, an indirect method for the optimization trajectory of an Earth-to-Jupiter orbit transfer is analyzed. ii) The deployment of a tether from the e-sail allows several scientific applications in Jupiter. iia) It might be used as a source of radiative waves for plasma diagnostics and artificial aurora generator. A conductive tether orbiting in the Jovian magnetosphere produces waves. Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA’s Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. An estimation of the radiation impedance of bare tethers is also considered. iib) In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics. In LJO, the ions impacting against the negative-biased tether do produce secondary electrons, which racing down Jupiter’s magnetic field lines, reach the upper atmosphere. The energetic electrons there generate auroral effects. Regions where the tether efficiently should produce secondary electrons are analyzed. iic) Other scientific application suggested in LJO is the in-situ detection of charged grains. Charged grains naturally orbit near Jupiter. High-energy electrons in the Jovian ambient may be modeled by the kappa distribution function. In complex plasma scenarios, where the Jovian high electric field may accelerate charges up superthermal velocities, the use of non-Maxwellian distributions should be considered. In these cases, the distribution tails fit well to a power-law dependence for electrons. Fluctuations of the charged grains for non-Mawellian distribution function are here studied. iii) The present thesis is concluded with the analysis for de-orbiting satellites at end of mission by electrodynamic tethers. A de-orbit tether system must present very small tether-to-satellite mass ratio and small probability of a tether cut by small debris too. The present work shows how to select tape dimensions so as to minimize the product of those two magnitudes. Preliminary results of tape-tether design are here discussed to minimize that function. Results for de-orbiting Cryosat and Envisat are also presented.

Analysis and optimization for a hexapod walking robot for planetary missions

La tecnología de las máquinas móviles autónomas ha sido objeto de una gran investigación y desarrollo en las últimas décadas. En muchas actividades y entornos, los robots pueden realizar operaciones que son duras, peligrosas o simplemente imposibles para los humanos. La exploración planetaria es un buen ejemplo de un entorno donde los robots son necesarios para realizar las tareas requeridas por los científicos. La reciente exploración de Marte con robots autónomos nos ha mostrado la capacidad de las nuevas tecnologías. Desde la invención de la rueda, que esta acertadamente considerado como el mayor invento en la historia del transporte humano, casi todos los vehículos para exploración planetaria han empleado las ruedas para su desplazamiento. Las nuevas misiones planetarias demandan maquinas cada vez mas complejas. En esta Tesis se propone un nuevo diseño de un robot con patas o maquina andante que ofrecerá claras ventajas en entornos extremos. Se demostrara que puede desplazarse en los terrenos donde los robots con ruedas son ineficientes, convirtiéndolo en una elección perfecta para misiones planetarias. Se presenta una reseña histórica de los principales misiones espaciales, en particular aquellos dirigidos a la exploración planetaria. A través de este estudio será posible analizar las desventajas de los robots con ruedas utilizados en misiones anteriores. El diseño propuesto de robot con patas será presentado como una alternativa para aquellas misiones donde los robots con ruedas puedan no ser la mejor opción. En esta tesis se presenta el diseño mecánico de un robot de seis patas capaz de soportar las grandes fuerzas y momentos derivadas del movimiento de avance. Una vez concluido el diseño mecánico es necesario realizar un análisis que permita entender el movimiento y comportamiento de una maquina de esta complejidad. Las ecuaciones de movimiento del robot serán validadas por dos métodos: cinemático y dinámico. Dos códigos Matlab® han sido desarrollados para resolver dichos sistemas de ecuaciones y han sido verificados por un tercer método, un modelo de elementos finitos, que también verifica el diseño mecánico. El robot con patas presentado, ha sido diseñado para la exploración planetaria en Marte. El comportamiento del robot durante sus desplazamientos será probado mediante un código de Matlab®, desarrollado para esta tesis, que permite modificar las trayectorias, el tipo de terreno, y el número y altura de los obstáculos. Estos terrenos y requisitos iniciales no han sido elegidos de forma aleatoria, si no que están basados en mi experiencia como miembro del equipo de MSL-NASA que opera un instrumento a bordo del rover Curiosity en Marte. El robot con patas desarrollado y fabricado por el Centro de Astrobiología (INTA-CSIC), esta basado en el diseño mecánico y análisis presentados en esta tesis. ABSTRACT The autonomous machines technology has undergone a major research and development during the last decades. In many activities and environments, robots can perform operations that are tought, dangerous or simply imposible to humans. Planetary exploration is a good example of such environment where robots are needed to perform the tasks required by the scientits. Recent Mars exploration based on autonomous vehicles has shown us the capacity of the new technologies. From the invention of the wheel, which is rightly regarded as the greatest invention in the history of human transportation, nearly all-planetary vehicles are based in wheeled locomotion, but new missions demand new types of machines due to the complex tasks needed to be performed. It will be proposed in this thesis a new design of a legged robot or walking machine, which may offer clear advantages in tough environments. This Thesis will show that the proposed walking machine can travel, were terrain difficulties make wheeled vehicles ineffective, making it a perfect choice for planetary mission. A historical background of the main space missions, in particular those aimed at planetary exploration will be presented. From this study the disadvantages found in the existing wheel rovers will be analysed. The legged robot designed will be introduced as an alternative were wheeled rovers could be no longer the best option for planetary exploration. This thesis introduces the mechanical design of a six-leg robot capable of withstanding high forces and moments due to the walking motion. Once the mechanical design is concluded, and in order to analyse a machine of this complexity an understanding of its movement and behaviour is mandatory. This movement equation will be validated by two methods: kinematics and dynamics. Two Matlab® codes have been developed to solve the systems of equations and validated by a third method, a finite element model, which also verifies the mechanical design. The legged robot presented has been designed for a Mars planetary exploration. The movement behaviour of the robot will be tested in a Matlab® code developed that allows to modify the trajectories, the type of terrain, number and height of obstacles. These terrains and initial requirements have not been chosen randomly, those are based on my experience as a member of the MSL NASA team, which operates an instrument on-board of the Curiosity rover in Mars. The walking robot developed and manufactured by the Center of Astrobiology (CAB) is based in the mechanical design and analysis that will be presented in this thesis.

Combining series elastic actuation and magneto-rheological damping for the control of agile locomotion

All-terrain robot locomotion is an active topic of research. Search and rescue maneuvers and exploratory missions could benefit from robots with the abilities of real animals. However, technological barriers exist to ultimately achieving the actuation system, which is able to meet the exigent requirements of these robots. This paper describes the locomotioncontrol of a leg prototype, designed and developed to make a quadruped walk dynamically while exhibiting compliant interaction with the environment. The actuation system of the leg is based on the hybrid use of series elasticity and magneto-rheological dampers, which provide variable compliance for natural-looking motion and improved interaction with the ground. The locomotioncontrol architecture has been proposed to exploit natural leg dynamics in order to improve energy efficiency. Results show that the controller achieves a significant reduction in energy consumption during the leg swing phase thanks to the exploitation of inherent leg dynamics. Added to this, experiments with the real leg prototype show that the combined use of series elasticity and magneto-rheologicaldamping at the knee provide a 20 % reduction in the energy wasted in braking the knee during its extension in the leg stance phase.

Electrodynamic Tether at Jupiter I: Capture operation and constraints

Tethered spacecraft missions to the Jovian system suit the use of electrodynamic tethers because: 1) magnetic stresses are 100 times greater than at the Earth; 2) the stationary orbit is one-third the relative distance for Earth; and 3) moon Io is a nearby giant plasma source. The (bare) tether is a reinforced aluminum foil with tens of kilometer length L and a fraction of millimeter thickness h, which collects electrons as an efficient Langmuir probe and can tap Jupiter’s rotational energy for both propulsion and power. In this paper, the critical capture operation is explicitly formulated in terms of orbit geometry and established magnetic and thermal plasma models. The design parameters L and h and capture perijove radius rp face opposite criteria independent of tape width. Efficient capture requires a low rp and a high L 3/2/h ratio. However, combined bounds on tether bowing and tether tensile stress, arising from a spin made necessary by the low Jovian gravity gradient, require a high rp and a low L 5/2/h ratio. Bounds on tether temperature again require a high rp and a low L 3/8/(tether emissivity)1/4 ratio. Optimal design values are discussed.

Frozen orbits for scientific missions using rotating tethers

We derive a semi-analytic formulation that permits to study the long-term dynamics of fast-rotating inert tethers around planetary satellites. Since space tethers are extensive bodies they generate non-keplerian gravitational forces which depend solely on their mass geometry and attitude, that can be exploited for controlling science orbits. We conclude that rotating tethers modify the geometry of frozen orbits, allowing for lower eccentricity frozen orbits for a wide range of orbital inclination, where the length of the tether becomes a new parameter that the mission analyst may use to shape frozen orbits to tighter operational constraints.

Tether radiation in Juno-type and circular-equatorial Jovian orbits

Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA's planned Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. Finally, an estimation of the radiation impedance of bare tethers is considered. In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics.

Electrodynamic tether at Jupiter 2. Tour missions after capture

Three separate scenarios of an electrodynamic tether mission at Jupiter following capture of a spacecraft (SC) into an equatorial, highly elliptical orbit around the planet, with perijove at about 1.5 times the Jovian radius, are discussed. Repeated application of Lorentz drag on the spinning tether, at the perijove vicinity, can progressively lower the apojove. One mission involves the tethered-SC rapidly and frequently visiting Galilean moons; elliptical orbits with apojove down at the Ganymede, Europa, and Io orbits are in 2:5, 4:9, and 1:2 resonances with the respective moons. About 20 slow flybys of Io would take place before the accumulated radiation dose exceeds 3 Mrad (Si) at 10 mm Al shield thickness, with a total duration of 5 months after capture (4 months for lowering the apojove to Io and one month for the flybys). The respective number of flybys for Ganymede would be 10 with a total duration of about 9 months. An alternative mission would have the SC acquire a low circular orbit around Jupiter, below the radiation belts, and manoeuvre to get an optimal altitude, with no major radiation effects, in less than 5 months after capture. In a third mission, repeated thrusting at the apojove vicinity, once down at the Io torus, would raise the perijove itself to the torus to acquire a low circular orbit around Io in about 4 months, for a total of 8 months after capture; this corresponds, however, to over 100 apojove passes with an accumulated dose, of about 8.5 Mrad (Si), that poses a critical issue.

System Engineering Approach to Initial Design of LEO Remote Sensing Missions

The satellite remote sensing missions are essential for long-term research around the condition of the earth resources and environment. On the other hand, in recent years the application of microsatellites is of interest in many space programs for their less cost and response time. In microsatellite remote sensing missions there are tight interrelations between different requirements such as orbital altitude, revisit time, mission life and spatial resolution. Also, all of these requirements can affect the whole system level design characteristics. In this work, the remote sensing microsatellite sizing process is divided into three major design disciplines; a) orbit design, b) payload sizing and c) bus sizing. Finally, some specific design cases are investigated inside the design space for evaluating the effect of different design variables on the satellite total mass. Considering the results of the work, it is concluded that applying a systematic approach at the initial design phase of such projects provides a good insight to the not clearly seen interactions inside their highly extended design space

Electrodynamic tether applications and constraints

Propulsion and power generation by bare electrodynamic tethers are revisited in a unified way and issues and constraints are addressed. In comparing electrodynamic tethers, which do not use propellant, with other propellantconsuming systems, mission duration is a discriminator that defines crossover points for systems with equal initial masses. Bare tethers operating in low Earth orbit can be more competitive than optimum ion thrusters in missions exceeding two-three days for orbital deboost and three weeks for boosting operations. If the tether produces useful onboard power during deboost, the crossover point reaches to about 10 days. Power generation by means of a bare electrodynamic tether in combination with chemical propulsion to maintain orbital altitude of the system is more efficient than use of the same chemicals (liquid hydrogen and liquid oxygen) in a fuel cell to produce power for missions longer than one week. Issues associated with tether temperature, bowing, deployment, and arcing are also discussed. Heating/cooling rates reach about 4 K/s for a 0.05-mm-thick tape and a fraction of Kelvin/second for the ProSEDS (0.6-mm-radius) wire; under dominant ohmic effects, temperatures areover200K (night) and 380 K (day) for the tape and 320 and 415 K for that wire. Tether applications other than propulsion and power are briefly discussed.