Dynamic stabilization of L2 periodic orbits using attitude-orbit coupling effects

Numerical explorations show how the known periodic solutions of the Hill problem are modified in the case of the attitude-orbit coupling that may occur for large satellite structures. We focus on the case in which the elongation is the dominant satellite’s characteristic and find that a rotating structure may remain with its largest dimension in a plane parallel to the plane of the primaries. In this case, the effect produced by the non-negligible physical length is dynamically equivalent to the perturbation produced by an oblate central body on a mass-point satellite. Based on this, it is demonstrated that the attitude-orbital coupling of a long enough body may change the dynamical characteristics of a periodic orbit about the collinear Lagrangian points.

Adaptive scheme for Accurate orbit propagation

Two extensions of the fast and accurate special perturbation method recently developed by Peláez et al. are presented for respectively elliptic and hyperbolic motion. A comparison with Peláez?s method and with the very efficient Stiefel- Scheifele?s method, for the problems of oblate Earth plus Moon and continuous radial thrust, shows that the new formulations can appreciably improve the accuracy of Peláez?s method and have a better performance of Stiefel-Scheifele?s method. Future work will be to include the two new formulations and the original one due to Peláez into an adaptive scheme for highly accurate orbit propagation

Dynamic stabilization of L2 periodic orbits using attitude-orbit coupling effects

Numerical explorations show how the known periodic solutions of the Hill problem are modified in the case of the attitude-orbit coupling that may occur for large satellite structures. We focus on the case in which the elongation is the dominant satellite?s characteristic and find that a rotating structure may remain with its largest dimension in a plane parallel to the plane of the primaries. In this case, the effect produced by the non-negligible physical dimension is dynamically equivalent to the perturbation produced by an oblate central body on a masspoint satellite. Based on this, it is demonstrated that the attitude-orbital coupling of a long enough body may change the dynamical characteristics of a periodic orbit about the collinear Lagrangian points.

The radiation impedance of electrodynamics tethers in a polar Jovian orbit

Juno, the second mission in the NASA New Frontiers Program, will both be a polar Jovian orbiter, and use solar arrays for power, moving away from previous use of radioisotope power systems (RPSs) in spite of the weak solar light reaching Jupiter. The power generation at Jupiter is critical, and a conductive tether could be an alternative source of power. A current-carrying tether orbiting in a magnetized ionosphere/plasmasphere will radiate waves. A magnitude of interest for both power generation and signal emission is the wave impedance. Jupiter has the strongest magnetic field in the Solar Planetary System and its plasma density is low everywhere. This leads to an electron plasma frequency smaller than the electron cyclotron frequency, and a high Alfven velocity. Unlike the low Earth orbit (LEO) case, the electron skin depth and the characteristic size of plasma contactors affect the Alfven impedance.

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.

An universal system to de-orbit satellites at end of life

A 3-year Project financed by the European Commission is aimed at developing a universal system to de-orbit satellites at their end of life, as a fundamental contribution to limit the increase of debris in the Space environment. The operational system involves a conductive tapetether left bare to establish anodic contact with the ambient plasma as a giant Langmuir probe. The Project will size the three disparate dimensions of a tape for a selected de-orbit mission and determine scaling laws to allow system design for a general mission. Starting at the second year, mission selection is carried out while developing numerical codes to implement control laws on tether dynamics in/off the orbital plane; performing numerical simulations and plasma chamber measurements on tether-plasma interaction; and completing design of subsystems: electronejecting plasma contactor, power module, interface elements, deployment mechanism, and tether-tape/end-mass. This will be followed by subsystems manufacturing and by currentcollection, free-fall, and hypervelocity impact tests.

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.

Trade-off study on deorbiting S/C in near polar orbit

Usual long, flexible, ED tethers kept vertical by the gravity gradient might be less efficient for deorbiting S/C in near-polar orbits than conventional (Hall, Ion) electrical thrusters. A trade-off study on this application is here presented for tethers kept horizontal and perpendicular to the orbital plane. A tether thus oriented must be rigid and short for structural reasons, requiring a non-convex cross section and a power supply as in the case of electrical thrusters. Very recent developments on bare-tether collection theory allow predicting the current collected by an arbitrary cross section. For the horizontal tether, structural considerations on length play the role of ohmic effects in vertical tethers, in determining the optimal contribution of tether mass to the overall deorbiting system. For a given deorbiting-mission impulse, tether-system mass is minimal at some optimal length that increases weakly with the impulse. The horizontal-tether system may beat both the vertical tether and the electrical thruster as regards mass requirements for a narrow length range centered at about 100 m, allowing, however, for a broad mission-impulse range.

Saturn power generation with electrodynamic tethers in polar orbit

A power generation scheme based on bare electrodynamic tethers (EDT), working in passive mode is investigated for the purpose of supplying power to scientific missions at Saturn. The system employs a spinning EDT on a lowaltitude polar orbit which permits to efficiently convert plasmasphere energy into useful power. After optimizing the tether design for power generation we compute the supplied power along the orbit and the impact of the Lorentz force on the orbital elements as function of the tether and orbit characteristics. Although uncertainties in the current ionosphere density modeling strongly affect the performance of the system the peak power density of the EDT appears be greater than conventional power systems.

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.

Bare-tape scaling laws for de-orbit missions in a space debris environment

El entorno espacial actual hay un gran numero de micro-meteoritos y basura espacial generada por el hombre, lo cual plantea un riesgo para la seguridad de las operaciones en el espacio. La situación se agrava continuamente a causa de las colisiones de basura espacial en órbita, y los nuevos lanzamientos de satélites. Una parte significativa de esta basura son satélites muertos, y fragmentos de satélites resultantes de explosiones y colisiones de objetos en órbita. La mitigación de este problema se ha convertido en un tema de preocupación prioritario para todas las instituciones que participan en operaciones espaciales. Entre las soluciones existentes, las amarras electrodinámicas (EDT) proporcionan un eficiente dispositivo para el rápido de-orbitado de los satélites en órbita terrestre baja (LEO), al final de su vida útil. El campo de investigación de las amarras electrodinámicas (EDT) ha sido muy fructífero desde los años 70. Gracias a estudios teóricos, y a misiones para la demostración del funcionamiento de las amarras en órbita, esta tecnología se ha desarrollado muy rápidamente en las últimas décadas. Durante este período de investigación, se han identificado y superado múltiples problemas técnicos de diversa índole. Gran parte del funcionamiento básico del sistema EDT depende de su capacidad de supervivencia ante los micro-meteoritos y la basura espacial. Una amarra puede ser cortada completamente por una partícula cuando ésta tiene un diámetro mínimo. En caso de corte debido al impacto de partículas, una amarra en sí misma, podría ser un riesgo para otros satélites en funcionamiento. Por desgracia, tras varias demostraciones en órbita, no se ha podido concluir que este problema sea importante para el funcionamiento del sistema. En esta tesis, se presenta un análisis teórico de la capacidad de supervivencia de las amarras en el espacio. Este estudio demuestra las ventajas de las amarras de sección rectangular (cinta), en cuanto a la probabilidad de supervivencia durante la misión, frente a las amarras convencionales (cables de sección circular). Debido a su particular geometría (longitud mucho mayor que la sección transversal), una amarra puede tener un riesgo relativamente alto de ser cortado por un único impacto con una partícula de pequeñas dimensiones. Un cálculo analítico de la tasa de impactos fatales para una amarra cilindrica y de tipo cinta de igual longitud y masa, considerando el flujo de partículas de basura espacial del modelo ORDEM2000 de la NASA, muestra mayor probabilidad de supervivencia para las cintas. Dicho análisis ha sido comparado con un cálculo numérico empleando los modelos de flujo el ORDEM2000 y el MASTER2005 de ESA. Además se muestra que, para igual tiempo en órbita, una cinta tiene una probabilidad de supervivencia un orden y medio de magnitud mayor que una amarra cilindrica con igual masa y longitud. Por otra parte, de-orbitar una cinta desde una cierta altitud, es mucho más rápido, debido a su mayor perímetro que le permite capturar más corriente. Este es un factor adicional que incrementa la probabilidad de supervivencia de la cinta, al estar menos tiempo expuesta a los posibles impactos de basura espacial. Por este motivo, se puede afirmar finalmente y en sentido práctico, que la capacidad de supervivencia de la cinta es bastante alta, en comparación con la de la amarra cilindrica. El segundo objetivo de este trabajo, consiste en la elaboración de un modelo analítico, mejorando la aproximación del flujo de ORDEM2000 y MASTER2009, que permite calcular con precisión, la tasa de impacto fatal al año para una cinta en un rango de altitudes e inclinaciones, en lugar de unas condiciones particulares. Se obtiene el numero de corte por un cierto tiempo en función de la geometría de la cinta y propiedades de la órbita. Para las mismas condiciones, el modelo analítico, se compara con los resultados obtenidos del análisis numérico. Este modelo escalable ha sido esencial para la optimización del diseño de la amarra para las misiones de de-orbitado de los satélites, variando la masa del satélite y la altitud inicial de la órbita. El modelo de supervivencia se ha utilizado para construir una función objetivo con el fin de optimizar el diseño de amarras. La función objectivo es el producto del cociente entre la masa de la amarra y la del satélite y el numero de corte por un cierto tiempo. Combinando el modelo de supervivencia con una ecuación dinámica de la amarra donde aparece la fuerza de Lorentz, se elimina el tiempo y se escribe la función objetivo como función de la geometría de la cinta y las propietades de la órbita. Este modelo de optimización, condujo al desarrollo de un software, que esta en proceso de registro por parte de la UPM. La etapa final de este estudio, consiste en la estimación del número de impactos fatales, en una cinta, utilizando por primera vez una ecuación de límite balístico experimental. Esta ecuación ha sido desarollada para cintas, y permite representar los efectos tanto de la velocidad de impacto como el ángulo de impacto. Los resultados obtenidos demuestran que la cinta es altamente resistente a los impactos de basura espacial, y para una cinta con una sección transversal definida, el número de impactos críticos debidos a partículas no rastreables es significativamente menor. ABSTRACT The current space environment, consisting of man-made debris and tiny meteoroids, poses a risk to safe operations in space, and the situation is continuously deteriorating due to in-orbit debris collisions and to new satellite launches. Among these debris a significant portion is due to dead satellites and fragments of satellites resulted from explosions and in-orbit collisions. Mitigation of space debris has become an issue of first concern for all the institutions involved in space operations. Bare electrodynamic tethers (EDT) can provide an efficient mechanism for rapid de-orbiting of defunct satellites from low Earth orbit (LEO) at end of life. The research on EDT has been a fruitful field since the 70’s. Thanks to both theoretical studies and in orbit demonstration missions, this technology has been developed very fast in the following decades. During this period, several technical issues were identified and overcome. The core functionality of EDT system greatly depends on their survivability to the micrometeoroids and orbital debris, and a tether can become itself a kind of debris for other operating satellites in case of cutoff due to particle impact; however, this very issue is still inconclusive and conflicting after having a number of space demonstrations. A tether can be completely cut by debris having some minimal diameter. This thesis presents a theoretical analysis of the survivability of tethers in space. The study demonstrates the advantages of tape tethers over conventional round wires particularly on the survivability during the mission. Because of its particular geometry (length very much larger than cross-sectional dimensions), a tether may have a relatively high risk of being severed by the single impact of small debris. As a first approach to the problem, survival probability has been compared for a round and a tape tether of equal mass and length. The rates of fatal impact of orbital debris on round and tape tether, evaluated with an analytical approximation to debris flux modeled by NASA’s ORDEM2000, shows much higher survival probability for tapes. A comparative numerical analysis using debris flux model ORDEM2000 and ESA’s MASTER2005 shows good agreement with the analytical result. It also shows that, for a given time in orbit, a tape has a probability of survival of about one and a half orders of magnitude higher than a round tether of equal mass and length. Because de-orbiting from a given altitude is much faster for the tape due to its larger perimeter, its probability of survival in a practical sense is quite high. As the next step, an analytical model derived in this work allows to calculate accurately the fatal impact rate per year for a tape tether. The model uses power laws for debris-size ranges, in both ORDEM2000 and MASTER2009 debris flux models, to calculate tape tether survivability at different LEO altitudes. The analytical model, which depends on tape dimensions (width, thickness) and orbital parameters (inclinations, altitudes) is then compared with fully numerical results for different orbit inclinations, altitudes and tape width for both ORDEM2000 and MASTER2009 flux data. This scalable model not only estimates the fatal impact count but has proved essential in optimizing tether design for satellite de-orbit missions varying satellite mass and initial orbital altitude and inclination. Within the frame of this dissertation, a simple analysis has been finally presented, showing the scalable property of tape tether, thanks to the survivability model developed, that allows analyze and compare de-orbit performance for a large range of satellite mass and orbit properties. The work explicitly shows the product of tether-to-satellite mass-ratio and fatal impact count as a function of tether geometry and orbital parameters. Combining the tether dynamic equation involving Lorentz drag with space debris impact survivability model, eliminates time from the expression. Hence the product, is independent of tether de-orbit history and just depends on mission constraints and tether length, width and thickness. This optimization model finally led to the development of a friendly software tool named BETsMA, currently in process of registration by UPM. For the final step, an estimation of fatal impact rate on a tape tether has been done, using for the first time an experimental ballistic limit equation that was derived for tapes and accounts for the effects of both the impact velocity and impact angle. It is shown that tape tethers are highly resistant to space debris impacts and considering a tape tether with a defined cross section, the number of critical events due to impact with non-trackable debris is always significantly low.

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.