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.

A waypoint-based mission planner for a farmland coverage with an aerial robot - a precision farming tool

Remote sensing (RS) with aerial robots is becoming more usual in every day time in Precision Agriculture (PA) practices, do to their advantages over conventional methods. Usually, available commercial platforms providing off-the-shelf waypoint navigation are adopted to perform visual surveys over crop fields, with the purpose to acquire specific image samples. The way in which a waypoint list is computed and dispatched to the aerial robot when mapping non empty agricultural workspaces has not been yet discussed. In this paper we propose an offline mission planner approach that computes an efficient coverage path subject to some constraints by decomposing the environment approximately into cells. Therefore, the aim of this work is contributing with a feasible waypoints-based tool to support PA practices

A proposed two-stage two-tether scientific mission at Jupiter

A two-stage mission to place a spacecraft (SC) below the Jovian radiation belts, using a spinning bare tether with plasma contactors at both ends to provide propulsion and power,is proposed. Capture by Lorentz drag on the tether, at the periapsis of a barely hyperbolic equatorial orbit, is followed by a sequence of orbits at near-constant periapsis, drag finally bringing the SC down to a circular orbit below the halo ring. Although increasing both tether heating and bowing, retrograde motion can substantially reduce accumulated dose as compared with prograde motion, at equal tether-to-SC mass ratio. In the second stage,the tether is cut to a segment one order of magnitude smaller, with a single plasma contactor, making the SC to slowly spiral inward over severalmonths while generating large onboard power, which would allow multiple scientific applications, including in situ study of Jovian grains, auroral sounding of upper atmosphere, and space- and time-resolved observations of surface and subsurface.

Time and space partitioning the EagleEye reference mission

We discuss experiences gained by porting a Software Validation Facility (SVF) and a satellite Central Software (CSW) to a platform with support for Time and Space Partitioning (TSP). The SVF and CSW are part of the EagleEye Reference mission of the European Space Agency (ESA). As a reference mission, EagleEye is a perfect candidate to evaluate practical aspects of developing satellite CSW for and on TSP platforms. The specific TSP platform we used consists of a simulate D LEON3 CPU controlled by the XtratuM separation micro-kernel. On top of this, we run five separate partitions. Each partition ru n s its own real-time operating system or Ada run-time kernel, which in turn are running the application software of the CSW. We describe issues related to partitioning; inter-partition communication; scheduling; I/O; and fault-detection, isolation, and recovery (FDIR)

Mission profile based optimization of a wearable power system

A Wearable Power System (WPS) is a portable power source utilized primarily to power the modern soldier’s electronic equipment. Such a system has to satisfy output power demands in the range of 20 W...200 W, specified as a 4-day mission profile and has a weight limit of 4 kg. To meet these demands, an optimization of a WPS, comprising an internal combustion (IC) engine, permanent magnetic three-phase electrical motor/generator, inverter, Li-batteries, DC-DC converters, and controller, is performed in this paper. The mechanical energy extracted from the fuel by IC engine is transferred to the generator that is used to recharge the battery and provide the power to the electrical output load. The main objectives are to select the engine, fuel and battery type, to match the weight of fuel and the number of battery cells, to find the optimal working point of engine and to minimize the system weight. To provide the second output voltage level of 14 VDC, a separate DC-DC converter is connected between the battery and the load, and optimized for the specified mission profile. A prototype of the WPS based on the optimization presented in the paper results in a total system weight of 3.9 kg and fulfils the mission profile.

Electrodynamic tether for scientific mission in low Jovian orbit

An electrodynamic bare tether is shown to allow carrying out scientific observations very close to Jupiter, for exploration of its surface and subsurface, and ionospheric and atmospheric in-situ measurements. Starting at a circular equatorial orbit of radius about 1.3/1.4 times the Jovian radius, continuous propellantless Lorentz drag on a thin-tape tether in the 1-5 km length range would make a spacecraft many times as heavy as the tape slowly spiral in, over a period of many months, while generating power at a load plugged in the tether circuit for powering instruments in science data acquisition and transmission. Lying under the Jovian radiation belts, the tape would avoid the most severe problem facing tethers in Jupiter, which are capable of producing both power and propulsion but, operating slowly, could otherwise accumulate too high a radiation dose . The tether would be made to spin in its orbit to keep taut; how to balance the Lorentz torque is discussed. Constraints on heating and bowing are also discussed, comparing conditions for prograde versus retrograde orbits. The system adapts well to the moderate changes in plasma density and motional electric field through the limited radial range in their steep gradients near Jupiter.

Evaluation of mission planning strategies of a robotic aerial vehicle for the AIRC international competition

The International Aerial Robotics Competition (IARC) is an important event where teams from universities design flying autonomous vehicles to overcome the last challenges in the field. The goal of the Seventh Mission proposed by the IARC is to guide several mobile ground robots to a target area. The scenario is complex and not determinist due to the random behavior of the ground robots movement. The UAV must select efficient strategies to complete the mission. The goal of this work has been evaluating different alternative mission planning strategies of a UAV for this competition. The Mission Planner component is in charge of taking the UAV decisions. Different strategies have been developed and evaluated for the component, achieving a better performance Mission Planner and valuable knowledge about the mission. For this purpose, it was necessary to develop a simulator to evaluate the different strategies. The simulator was built as an improvement of an existing previous version.

Análisis de sistemas eléctricos en microsatélites. Desarrollo de módulos para una Concurrent Design Facility (CFD)para el desarrollo y análisis de misiones espaciales = Analysis of microsatellites power subsystems (battery testing). Development and programming of a new Propulsion Module for a space mission Concurrent Design Facility (CDF)

El objetivo de este proyecto es recoger y explicar el conjunto de tareas realizadas durante el proceso de colaboración llevado a cabo en el Instituto de Microgravedad “Ignacio Da Riva” durante el curso académico 2014/2015, las cuales han conformado las prácticas externas cursadas en la titulación de Grado en Ingeniería Aeroespacial, y el Trabajo de Fin de Grado de la misma titulación. En este documento se pretende,además, poner de manifiesto la rigurosidad con la que se trabaja en el ámbito espacial y la importancia de los protocolos y procedimientos para asegurar un resultado adecuado en los trabajos realizados. Una parte importante del proyecto detalla los procesos de monitorización y mantenimiento de la batería del satélite universitario UPMSat-2 cuyo lanzamiento está previsto para el año próximo y el cual será el segundo satélite del mundo en incorporar una batería de Ión-Litio.

Análisis de sistemas eléctricos en microsatélites. Desarrollo de módulos para una Concurrent Design Facility (CDF) para desarrollo y análisis de misiones espaciales = Analysis of microsatellites power subsystems (battery testing). Development and programming of a new Orbit Design Module for a space mission Concurrent Design Facility (CDF)

El presente proyecto se ha realizado durante las prácticas curriculares que han tenido lugar en el Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM). A lo largo de estas prácticas se han llevado a cabo trabajos en diversos campos, todos relacionados con el UPMSat-2, desde el subsistema de potencia (placas solares y baterías) hasta el desarrollo de módulos para la Sala de Diseño Concurrente (Concurrent Design Facility, CDF). En la realización de las mismas se ha trabajado en equipo, junto con otros dos alumnos. El objetivo del proyecto es recopilar las tareas realizadas, proporcionando el desarrollo teórico necesario para llevar a cabo todas ellas. Al ser un trabajo con varias partes claramente diferenciadas, se ha optado por comenzar con unas páginas dedicadas a las misiones espaciales. A continuación el trabajo se adentra en el subsistema de potencia de un satélite, particularizando para el UPMSat-2. Finalmente, se proporciona la teoría necesaria para el desarrollo del módulo de misión de la CDF del IDR/UPM, software que se ha desarrollado y tiene reservado un espacio al final, en el cual se describe el programa y se realizan comparaciones de los resultados que proporciona frente a casos reales.

Análisis en sistemas eléctricos en microsatélites. Desarrollo de módulos para una Concurrent Design Facility (CDF) para desarrollo y análisis de misiones espaciales = Analysis of microsatellites power subsystems (battery testing). Development and programming of a new Orbit Design Module for a space mission Concurrent Design Facility (CDF)

El objetivo de este trabajo de fin de grado es la exposición de los resultados y conclusiones, fruto de las tareas desarrolladas durante las practicas curriculares en el Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM) el presente curso académico. La estructura del trabajo se compone de dos bloques diferenciados entre sí: el seguimiento de una batería y el desarrollo de un módulo para una CDF.

Nanosatellites costelation mission: ODEI-C24

Our mission consists in 4 key objectives: Quantify the number of sunspots during the solar maximum, and also characterize their activity and magnetism. Demonstrate the reliability of a mission in LEO orbit, for an effective solar observation. Technology demonstrator: we will take on board an experiment: the PTF (Polymer Filter test in flight ), associated with visible cameras. Investigation of the potential for exploitation of ground space market through the sale of images taken in flight.

Optimum sizing of bare-tape tethers for de-orbiting satellites at end of mission

De-orbiting satellites at end of mission would prevent generation of new space debris. A proposed de-orbit technology involves a bare conductive tape-tether, which uses neither propellant nor power supply while generating power for on-board use during de-orbiting. The present work shows how to select tape dimensions for a generic mission so as to satisfy requirements of very small tether-to-satellite mass ratio mt/MS and probability Nf of tether cut by small debris, while keeping de-orbit time tf short and product tf ×× tether length low to reduce maneuvers in avoiding collisions with large debris. Design is here discussed for particular missions (initial orbit of 720 km altitude and 63° and 92° inclinations, and 3 disparate MS values, 37.5, 375, and 3750 kg), proving it scalable. At mid-inclination and a mass-ratio of a few percent, de-orbit time takes about 2 weeks and Nf is a small fraction of 1%, with tape dimensions ranging from 1 to 6 cm, 10 to 54 μμm, and 2.8 to 8.6 km. Performance drop from middle to high inclination proved moderate: if allowing for twice as large mt/MS, increases are reduced to a factor of 4 in tf and a slight one in Nf, except for multi-ton satellites, somewhat more requiring because efficient orbital-motion-limited electron collection restricts tape-width values, resulting in tape length (slightly) increasing too.

Tether-mission design for multiple flybys of moon Europa

Electrodynamic tape-tethers are shown to allow a cheap, light, fast mission to Jupiter for multiple flybys of moon Europa and close exploration of the Jovian interior. As regards flybys, this mission is similar to the Clipper mission presently considered by NASA, the basic difference (periapsis location) arising from mission-challenge metrics.