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Operare piattaforme satellitari in un’orbita terrestre molto bassa (Very Low Earth Orbit - VLEO), a un’altitudine inferiore ai 400 km, offrirebbe vantaggi significativi sia in termini di prestazioni del carico utile sia di mitigazione dei detriti spaziali [1]. Tuttavia, la resistenza aerodinamica presente a queste altitudini, dovuta all’atmosfera residua, deve essere compensata continuamente da un sistema di propulsione, limitando in modo sostanziale la vita operativa del satellite. Per questo motivo, i satelliti non operano tipicamente in VLEO.
Negli ultimi anni, la propulsione elettrica “air-breathing” è emersa come una potenziale tecnologia abilitante per missioni spaziali di lunga durata in VLEO. Il concetto si basa su un sistema di raccolta frontale che cattura i gas atmosferici e li convoglia verso un propulsore elettrico al plasma, in grado di ionizzare e accelerare le particelle raccolte per generare una spinta sufficiente a compensare la resistenza atmosferica.
Sono stati proposti diversi concetti di propulsori elettrici air-breathing [2]; tuttavia, i test a terra hanno evidenziato difficoltà nel raggiungere una sufficiente efficienza nella ionizzazione dell’atmosfera tipica delle orbite VLEO. Ciò è dovuto (i) alla maggiore complessità intrinseca della ionizzazione dell’azoto molecolare e dell’ossigeno atomico rispetto ai propellenti tipici della propulsione elettrica, e (ii) alle pressioni comparativamente basse attese nella camera di scarica del propulsore a valle della presa d’aria alle altitudini VLEO operative.
In questo lavoro, analizziamo la generazione di plasma in sistemi di propulsione elettrica air-breathing. Anzitutto, basandosi su modelli atmosferici disponibili in letteratura [3], le capacità di raccolta e compressione dell’aria rarefatta da parte di una presa d’aria passiva a velocità orbitale sono valutate tramite metodi Monte Carlo. Disponendo della densità e composizione del gas atmosferico atteso nella camera di scarica, viene poi proposta una formulazione di ordine ridotto per valutare le caratteristiche del plasma atmosferico, includendo tutte le principali reazioni coinvolte e l’influenza del campo magnetico applicato. Infine, il modello sviluppato viene utilizzato per valutare la fattibilità della generazione di plasma in condizioni rappresentative di reali scenari operativi in VLEO al fine di capire i regimi operativi in cui la soluzione air-breathing risulta possibile per compensare la resistenza atmosferica.
[1] Crisp, N. H., et al. (2021). System modelling of very low Earth orbit satellites for Earth observation. Acta Astronautica, 187(June), 475–491. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.07.004.
[2] Andreussi, T., et al. (2022). A review of air-breathing electric propulsion: from mission studies to technology verification. Journal of Electric Propulsion, 1(1), 1–57. https://doi.org/10.1007/s44205-022-00024-9.
[3] Picone, J., et al. (2002). NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere:Statistical comparisons and scientific issues. Journal of Geophysical Research, 107(A12), 1468.
