Analysis of bare-tether systems for deorbiting low-earth-orbit satellites

Performances, design criteria, and system mass of bare tethers for satellite deorbiting missions are analyzed. Orbital conditions and tether cross section define a tether length, such that 1) shorter tethers are electron collecting practically in their whole extension and 2) longer tethers collect practically the short-circuit current in a fixed segment length. Long tethers have a higher drag efficiency (defined as the drag force vs the tether mass) and are better adapted to adverse plasma densities. Dragging efficiency and mission-related costs are used to define design criteria for tether geometry. A comparative analysis with electric thrusters shows that bare tethers have much lower costs for low- and midinclination orbits and remain an attractive option up to 70 deg.

Diseño y ensayos en tierra de paneles solares para un satélite de órbita baja = Design and testing procedures of a Low Earth Orbit (LEO) satellite solar panels

Debido al reciente incremento de conflictos en el mundo árabe y dado el interés nacional de España en dicha zona, se propone en este proyecto un estudio inicial para el diseño y desarrollo de un microsatélite que ayude al gobierno de España a mantener esa zona bajo observación constante. En el presente trabajo se abarcan todos los subsistemas del satélite, haciéndose un estudio más detallado del subsistema de potencia

Diseño del sistema de potencia para un satélite de órbita baja(LEO) = Design of a Low Earth Orbit (LEO) satellite power subsystem

Este documento contiene el proceso de prediseño y cálculo de un satélite de observación terrestre mediante imágenes fotográficas. El principal objetivo del proyecto es el diseño detallado del subsistema de potencia del satélite y a validación de un modelo de funcionamiento del sistema de potencia de las placas solares que alimentan al mismo y mediante la herramienta Simulink. La primera parte consiste en un diseño breve de los subsistemas y parámetros más importantes del satélite tales como el Sistema de Control de Actitud, Sistema de Control Térmico y Sistema de Comunicaciones, además de la estructura del satélite, la órbita en la que se encontrará, el lanzador que se usará para situarlo en órbita y la cámara que llevara a bordo para la captación de imágenes. La segunda parte trata del diseño del subsistema de potencia de una manera más detallada y de su simulación mediante una herramienta diseñada en el programa MATLAB con la herramienta Simulink. Se pretende usar la herramienta para simular el comportamiento del subsistema de potencia de un satélite conocido que será el UPMSat-2.

Diseño y ensayos en tierra de las baterías para un satélite de órbita baja = Design and testing procedures of a Low Earth Orbit (LEO) satellite battery

Este proyecto consiste en el estudio y dimensionado inicial del sistema de potencia de un satélite de observación, que sirva de ayuda a otros sistemas de mayor precisión a la hora de detectar posibles terremotos y actividad volcánica mediante el análisis de señales electromagnéticas presentes en la ionosfera. Para ello el satélite incorpora, entre otros elementos sensores eléctricos, un analizador de plasma, y un detector de partículas. Con esta instrumentación se pretenden detectar los cambios que se producen en el campo electromagnético terrestre como consecuencia del movimiento de las placas tectónicas, y descubrir así las posibles anomalías que preceden a un seísmo. Para no sobrepasar el presupuesto con el que se ha ideado el proyecto se utilizarán sistemas que permitan la lectura de datos de la forma más simple, pudiendo ocurrir que los datos recogidos no se transmitan al control de Tierra en tiempo real, impidiendo a los científicos analizar los datos recogidos hasta unos días después, de ahí que este satélite experimental deba emplearse, en principio, como apoyo a programas de detención de terremotos más sofisticados y con mayores medios técnicos. Evidentemente, con este sistema también se podrán recoger datos tras los seísmos y examinarlos posteriormente. La órbita del satélite será una órbita LEO (Low Earth Orbit) de una altitud aproximada de 670 Km, estimándose el tiempo de vida del satélite en 5 años. Intentando emplear la mayor parte de los recursos económicos en el equipamiento científico, la estructura será la más simple posible, esto es, un paralelepípedo de dimensiones compactas con un peso aproximado de 185 kg, contando con paneles solares desplegables y en su interior con baterías que proporcionarán potencia al satélite durante la fase de lanzamiento y en momentos concretos.

Diseño y ensayos en tierra de paneles solares y baterías para un satélite de órbita baja = Design and testing procedures of a Low Earth Orbit (LEO) satellite power subsystem (solar panels and battery)

Las principal conclusión que se puede obtener tras el estudio es que el satélite, tal y como se ha tenido en cuenta, es perfectamente funcional desde el punto de vista eléctrico. Por la parte de la generación de potencia, los paneles son capaces de ofreces una cantidad tal como para que aproximadamente la mitad (en el caso de funcionamiento normal) de esta potencia sea destinada a la carga útil. Además, incluso en los modos de fallo definidos, el valor de potencia dedicada a la carga útil, es suficientemente alta como para que merezca la pena mantener el satélite operativo. Respecto de las baterías, se puede observar por su comportamiento que están, sobredimensionadas y por ello actúan como un elemento regulador del sistema completo, ya que tiene un amplio margen de trabajo por el cual se puede modificar el funcionamiento general. Y esto se demuestra no sólo en cuanto al estado de carga, que para el perfil de consumo constante y el de cuatro pulsos de 120 W por día se mantiene siempre por encima del 99%, si no también en términos de charging rate, el cual se está siempre dentro de los límites establecidos por el fabricante, asegurando una vida operativa acorde con la nominal. Por último, sobre el propio método de simulación se puede extraer que aun no siendo la mejor plataforma donde estudiar estos comportamientos. Presenta el inconveniente de que, en ciertas partes, restringe la flexibilidad a la hora de cambiar múltiples condiciones al mismo tiempo, pero a cambio permite un estudio bastante amplio con un requisito de conocimientos y de complejidad bajo, de manera que habilita a cualquier estudiante a llevar a cabo estudios similares.

Modifying the atlas of low lunar orbits using inert tethers

For long enough tethers, the coupling of the attitude and orbital dynamics may show non-negligible effects in the orbital motion of a tethered satellite about a central body. In the case of fast rotating tethers the attitude remains constant, on average, up to second order effects. Besides, for a tether rotating in a plane parallel to the equatorial plane of the central body, the attitude?orbit coupling effect is formally equal to the perturbation of the Keplerian motion produced by the oblateness of the central body and, therefore, may have a stabilizing effect in the orbital dynamics. In the case of a tethered satellite in a low lunar orbit, it is demonstrated that feasible tether lengths can help in modifying the actual map of lunar frozen orbits

Diseño y ensayos en tierra de paneles solares para un satélite de órbita baja = Design and testing procedures of a Low Earth (LEO)satellite solar panels

El Proyecto Fin De Carrera presentado a continuación contiene una descripción del prediseño del microsatélite de observación terrestre Gaia, particularizando ésta especialmente en el sistema de potencia del mismo. En el presente capítulo se describen los objetivos de la misión expuesta y los requerimientos del satélite objeto de este proyecto.

Optimal impulsive collision avoidance in low earth orbit

This paper presents a high-accuracy fully analytical formulation to compute the miss distance and collision probability of two approaching objects following an impulsive collision avoidance maneuver. The formulation hinges on a linear relation between the applied impulse and the objects? relative motion in the b-plane, which allows one to formulate the maneuver optimization problem as an eigenvalue problem coupled to a simple nonlinear algebraic equation. The optimization criterion consists of minimizing the maneuver cost in terms of delta-V magnitude to either maximize collision miss distance or to minimize Gaussian collision probability. The algorithm, whose accuracy is verified in representative mission scenarios, can be employed for collision avoidance maneuver planning with reduced computational cost when compared with fully numerical algorithms.

Bare-tether cathodic contact through thermoionic emission by low work-function materials

A new material, C12A7 : electride, which might present a work function as low as 0.6 eV and moderately high temperature stability, was recently proposed as coating for floating bare tethers. Arising from heating under space operation, current is emitted by thermionic emission along a thus coated cathodic segment. A preliminary study on the space-charge-limited (SCL) double layer in front of the cathodic segment is presented using Langmuir’s SCL electron current between cylindrical electrodes and orbital-motion-limited ion-collection sheath. A detailed calculation of current and bias profiles along the entire tether length is carried out with ohmic effects and the transition from SCL to full Richardson-Dushman emission included. Analysis shows that in the simplest drag mode, under typical orbital and tether conditions, thermionic emission leads to a short cathodic section and may eliminate the need for an active cathodic device and its corresponding gas feed requirements and power subsystem, which results in a truly “propellant-less” tether system for such basic applications as de-orbiting low earth orbit satellites.

Low work-function coating for an entirely propellantless bare electrodynamic tether

We present the possibility of a low work-function material, calcium aluminate electride, being used for a coating on a bare electrodynamic tether system. Analyses suggest that the coating would eliminate the need for an active cathodic device like a hollow cathode and, consequently, eliminate the need for an expellant to the hollow cathode, thus resulting in an electrodynamic tether system that requires no consumables. Applications include on-orbit power generation and deorbiting debris from low Earth orbit in a simple and trouble-free manner.

Analytical models for the power subsystem and the attitude control subsystem of a microsatellite

El trabajo realizado en la presente tesis doctoral se debe considerar parte del proyecto UPMSat-2, que se enmarca dentro del ámbito de la tecnología aeroespacial. El UPMSat-2 es un microsatélite (de bajo coste y pequeño tamaño) diseñado, construido, probado e integrado por la Universidad Politécnica de Madrid (España), para fines de demostración tecnológica y educación. El objetivo de la presente tesis doctoral es presentar nuevos modelos analíticos para estudiar la interdependencia energética entre los subsistemas de potencia y de control de actitud de un satélite. En primer lugar, se estudia la simulación del subsistema de potencia de un microsatélite, prestando especial atención a la simulación de la fuente de potencia, esto es, los paneles solares. En la tesis se presentan métodos sencillos pero precisos para simular la producción de energía de los paneles en condiciones ambientales variables a través de su circuito equivalente. Los métodos propuestos para el cálculo de los parámetros del circuito equivalente son explícitos (o al menos, con las variables desacopladas), no iterativos y directos; no se necesitan iteraciones o valores iniciales para calcular los parámetros. La precisión de este método se prueba y se compara con métodos similares de la literatura disponible, demostrando una precisión similar para mayor simplicidad. En segundo lugar, se presenta la simulación del subsistema de control de actitud de un microsatélite, prestando especial atención a la nueva ley de control propuesta. La tesis presenta un nuevo tipo de control magnético es aplicable a la órbita baja terrestre (LEO). La ley de control propuesta es capaz de ajustar la velocidad de rotación del satélite alrededor de su eje principal de inercia máximo o mínimo. Además, en el caso de órbitas de alta inclinación, la ley de control favorece la alineación del eje de rotación con la dirección normal al plano orbital. El algoritmo de control propuesto es simple, sólo se requieren magnetopares como actuadores; sólo se requieren magnetómetros como sensores; no hace falta estimar la velocidad angular; no incluye un modelo de campo magnético de la Tierra; no tiene por qué ser externamente activado con información sobre las características orbitales y permite el rearme automático después de un apagado total del subsistema de control de actitud. La viabilidad teórica de la citada ley de control se demuestra a través de análisis de Monte Carlo. Por último, en términos de producción de energía, se demuestra que la actitud propuesto (en eje principal perpendicular al plano de la órbita, y el satélite que gira alrededor de ella con una velocidad controlada) es muy adecuado para la misión UPMSat-2, ya que permite una área superior de los paneles apuntando hacia el sol cuando se compara con otras actitudes estudiadas. En comparación con el control de actitud anterior propuesto para el UPMSat-2 resulta en un incremento de 25% en la potencia disponible. Además, la actitud propuesto mostró mejoras significativas, en comparación con otros, en términos de control térmico, como la tasa de rotación angular por satélite puede seleccionarse para conseguir una homogeneización de la temperatura más alta que apunta satélite y la antena. ABSTRACT The work carried out in the present doctoral dissertation should be considered part of the UPMSat-2 project, falling within the scope of the aerospace technology. The UPMSat-2 is a microsatellite (low cost and small size) designed, constructed integrated and tested for educational and technology demonstration purposes at the Universidad Politécnica de Madrid (Spain). The aim of the present doctoral dissertation is to present new analytical models to study the energy interdependence between the power and the attitude control subsystems of a satellite. First, the simulation of the power subsystem of a microsatellite is studied, paying particular attention to the simulation of the power supply, i.e. the solar panels. Simple but accurate methods for simulate the power production under variable ambient conditions using its equivalent circuit are presented. The proposed methods for calculate the equivalent circuit parameters are explicit (or at least, with decoupled variables), non-iterative and straight forward; no iterations or initial values for the parameters are needed. The accuracy of this method is tested and compared with similar methods from the available literature demonstrating similar precision but higher simplicity. Second, the simulation of the control subsystem of a microsatellite is presented, paying particular attention to the new control law proposed. A new type of magnetic control applied to Low Earth Orbit (LEO) satellites has been presented. The proposed control law is able to set the satellite rotation speed around its maximum or minimum inertia principal axis. Besides, the proposed control law favors the alignment of this axis with the normal direction to the orbital plane for high inclination orbits. The proposed control algorithm is simples, only magnetorquers are required as actuators; only magnetometers are required as sensors; no estimation of the angular velocity is needed; it does not include an in-orbit Earth magnetic field model; it does not need to be externally activated with information about the orbital characteristics and it allows automatic reset after a total shutdown of attitude control subsystem. The theoretical viability of the control law is demonstrated through Monte Carlo analysis. Finally, in terms of power production, it is demonstrated that the proposed attitude (on principal axis perpendicular to the orbit plane, and the satellite rotating around it with a controlled rate) is quite suitable for the UPMSat-2 mission, as it allows a higher area of the panels pointing towards the sun when compared to other studied attitudes. Compared with the previous attitude control proposed for the UPMSat-2 it results in a 25% increment in available power. Besides, the proposed attitude showed significant improvements, when compared to others, in terms of thermal control, as the satellite angular rotation rate can be selected to achieve a higher temperature homogenization of the satellite and antenna pointing.

Calibration proposal for new antenna array architectures and technologies for space communications

In large antenna arrays with a large number of antenna elements, the required number of measurements for the characterization of the antenna array is very demanding in cost and time. This letter presents a new offline calibration process for active antenna arrays that reduces the number of measurements by subarray-level characterization. This letter embraces measurements, characterization, and calibration as a global procedure assessing about the most adequate calibration technique and computing of compensation matrices. The procedure has been fully validated with measurements of a 45-element triangular panel array designed for Low Earth Orbit (LEO) satellite tracking that compensates the degradation due to gain and phase imbalances and mutual coupling.

The radiation impedance of orbiting conductors

The dispersion relation for waves in a cold, magnetized plasma is discussed using the potential for the longitudinal part of the electric field. This clarifies wave emission from a conductor in low Earth orbit and should be useful in considering the far field and both hot plasma and nonlinear, near-field effects. General formulas for radiation impedance are directly obtained. For tethers a fundamental dependence on contactor size is discussed. Spherical and ellipsoidal contactors and an (anodcless) bare tether are considered. Simple arguments on nonlinear contactor effects lead to a surprisingly simple result for impedances off the Alfven branch.

Artificial auroral effects from a bare conducting tether

An electrically floating metallic bare tether in a low Earth orbit would be highly negative with respect to the ambient plasma over most of its length, and would be bombarded by ambient ions.This would liberates secondary electrons which after acceleration through the same voltage, would form a magnetically guided two-sided planar e beam,and result in auroral effects(ionization and light emission)upon impacto on the atmospheric E layer, at about 120-140 km altitude.This papere examines in a preliminary way the feasibility of using this effecet as an uppeart atmospheric probe. Ionization rate can reach up to 10 3 cm 3 S -1 if a tape, instead of a wire, is used as tether. Contrary to standard e beams,the beam from the tether is free of spacecrafct charging and plasma interaction problems and its energy flux varies across the crosss ection,w hich is quite large;this would make possible continuous observation from the satellite, with high resolution both spectral and vertical, of the induced optical emissions. Ground observation might be possible at latitudes around 40ø , for night, magnetically quiet conditions.

Electrodynamic tethers for exploration of Jupiter and its icy moons

Use of electrodynamic bare tethers in exploring the Jovian system by tapping its rotational energy for power and propulsion is studied. The position of perijove and apojove in elliptical orbits, relative to the synchronous orbit at 2.24 times Jupiter’s radius, is exploited to conveniently make the induced Lorentz force to be drag or thrust, while generating power, and navigating the system. Capture and evolution to a low elliptical orbit near Jupiter, and capture into low circular orbits at moons Io and Europa are discussed.