Linear Approach to the Orbiting Spacecraft Thermal Problem

A linear method is developed for solving the nonlinear differential equations of a lumped-parameter thermal model of a spacecraft moving in a closed orbit. This method, based on perturbation theory, is compared with heuristic linearizations of the same equations. The essential feature of the linear approach is that it provides a decomposition in thermal modes, like the decomposition of mechanical vibrations in normal modes. The stationary periodic solution of the linear equations can be alternately expressed as an explicit integral or as a Fourier series. This method is applied to a minimal thermal model of a satellite with ten isothermal parts (nodes), and the method is compared with direct numerical integration of the nonlinear equations. The computational complexity of this method is briefly studied for general thermal models of orbiting spacecraft, and it is concluded that it is certainly useful for reduced models and conceptual design but it can also be more efficient than the direct integration of the equations for large models. The results of the Fourier series computations for the ten-node satellite model show that the periodic solution at the second perturbative order is sufficiently accurate.

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.

Can Jupiters be found by monitoring Galactic bulge microlensing events from northern sites?

In 1998 the EXPORT team monitored microlensing event light curves using a charge-coupled device (CCD) camera on the IAC 0.8-m telescope on Tenerife to evaluate the prospect of using northern telescopes to find microlens anomalies that reveal planets orbiting the lens stars. The high airmass and more limited time available for observations of Galactic bulge sources make a northern site less favourable for microlensing planet searches. However, there are potentially a large number of northern 1-m class telescopes that could devote a few hours per night to monitor ongoing microlensing events. Our IAC observations indicate that accuracies sufficient to detect planets can be achieved despite the higher airmass.

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.

Propellantless de orbiting of space debris by bare electrodynamic tethers

A 3-year Project started on November 1 2010, financed by the European Commision within the FP-7 Space Program, and aimed at developing an efficient de-orbit system that could be carried on board by future spacecraft launched into LEO, will be presented. The operational system will deploy a thin uninsulated tape-tether to collect electrons as a giant Langmuir probe, using no propellant/no power supply, and generating power on board. This project will involve free-fall tests, and laboratory hypervelocity-impact and tether-current tests, and design/Manufacturing of subsystems: interface elements, electric control and driving module, electron-ejecting plasma contactor, tether-deployment mechanism/end-mass, and tape samples. Preliminary results to be presented involve: i) devising criteria for sizing the three disparate tape dimensions, affecting mass, resistance, current-collection, magnetic self-field, and survivability against debris itself; ii) assessing the dynamical relevance of tether parameters in implementing control laws to limit oscillations in /off the orbital plane, where passive stability may be marginal; iii) deriving a law for bare-tape current from numerical simulations and chamber tests, taking into account ambient magnetic field, ion ram motion, and adiabatic electron trapping; iv) determining requirements on a year-dormant hollow cathode under long times/broad emission-range operation, and trading-off against use of electron thermal emission; v) determining requirements on magnetic components and power semiconductors for a control module that faces high voltage/power operation under mass/volume limitations; vi) assessing strategies to passively deploy a wide conductive tape that needs no retrieval, while avoiding jamming and ending at minimum libration; vii) evaluating the tape structure as regards conductive and dielectric materials, both lengthwise and in its cross-section, in particular to prevent arcing in triple-point junctions.

Tape-tether design for de-orbiting from given altitude and inclination

The product of the tether-to-satellite mass ratio and the probability of tether cuts by small debris must be small to make electrodynamic bare tethers a competitive and useful de-orbiting technology. In the case of a circular orbit and assuming a model for the debris population, the product can be written as a function that just depends on the initial orbit parameters (altitude and inclination) and the tether geometry. This formula, which does not contain the time explicitly and ignores the details of the tether dynamics during the de-orbiting, is used to find design rules for the tape dimensions and the orbit parameter ranges where tethers dominate other de-orbiting technologies like rockets, electrical propulsion, and sails.

BETs: Propellant less de orbiting of space debris by bare electrodynamic tethers

As a fundamental contribution to limiting the increase of debris in the Space environment, a three-year project started on 1 November 2010 financed by the European Commission under the FP-7 Space Programme. It aims at developing a universal system to be carried on board future satellites launched into low Earth orbit (LEO), to allow de-orbiting at end of life. The operational system involves a conductive tape-tether left bare of insulation 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. It will implement control laws to restrain tether dynamics in/off the orbital plane; and will carry out plasma chamber measurements and numerical simulations of tether-plasma interaction. The project also involves the design and manufacturing of subsystems: electron-ejecting plasma contactors, an electric control and power module, interface elements, tether and deployment mechanisms, tether tape/end-mass as well as current collection plus free-fall, and hypervelocity impact tests.

Conductive-tether design for de-orbiting from given altitude and inclination

A bare tether with thin-tape cross section is both i) the most effective electrodinamic tether for given length and mass, and ii) capable of effective design for an arbitrary mission through its three disparate dimensions. It handily beats the fully insulated tether that exchanges current at both ends, a result resting in advantages of 2D current collection as against 3D collection; it has much greater perimeter than the round bare tether and much lower fatal debris-impact rate, leading to greatly faster de-orbiting and greatly higher probability of survival; and it only allows multi-line tethers reaching a few hundred lines to stand competitive. In selecting the disparate values of length L, width w, and thickness h for a de-orbit mission, performance involves three criteria: a) tether-tospacecraft mass ratio must be small; b) probability of survival against the debris environment must be high; and c) de-orbiting must be fast to reduce manoeuvres for avoiding catastrophic collisions with big active/passive satellites around. Beyond determining tether mass through the product Lwh, main dimension parameters affecting performance are L/h2li characterizing ohmic effects, and w determining electron collection. An algorithm for optimal selection of tape dimensions is elaborated.

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.