Ottimizzazione della geometria di un satellite per applicazioni VLEO

Le orbite VLEO (very low Earth orbit) costituiscono un intervallo di altitudini orbitali comprese tra i 200 km e i 400 km e negli ultimi anni sono diventate di crescente importanza commerciale per molteplici applicazioni. Queste includono, in maniera non esaustiva, osservazione della terra, radar, infrarossi, meteo, telecomunicazioni. È un ambiente verso il quale le aziende aerospaziali guardano sempre con più interesse, ricco di opportunità ma anche di sfide. Si riscontrano infatti notevoli difficoltà economiche nonché tecniche per la realizzazione di missioni spaziali collocate in questa fascia e uno dei problemi principali è rappresentato dall’attrito con l’atmosfera residua, che porta nel tempo ad un deterioramento dell’orbita. Tale fenomeno può essere mitigato sfruttando delle tecniche attive e un esempio lo si può trovare nell’utilizzo di sistemi propulsivi, i quali però comportano un elevato consumo di carburante che aumenta in modo esponenziale quanto più l'orbita è vicina alla Terra. Sono anche possibili soluzioni alternative che si basano su tecniche di mitigazione passiva. L’obiettivo di questa tesi è quello di descrivere come sia possibile determinare il coefficiente CD di un oggetto in orbita VLEO e analizzare una tecnica passiva basata sull’ottimizzazione geometrica della forma di un satellite, al fine di ridurne il drag e aumentarne la vita operativa. Per far questo, in breve, verrà analizzato il comportamento dell’atmosfera rarefatta in tale tipologia di orbita e, per il calcolo del coefficiente di attrito, si utilizzerà una teoria proposta a inizio anni Sessanta del Novecento da Lee H. Sentman (1937-20109), ingegnere aerospaziale e professore emerito all’università dell’Illinois. Quest’ultima, opportunamente modificata negli anni successivi, è allo stato dell’arte per quanto concerne la ricerca di forme chiuse di tale problema. Per l’ottimizzazione geometrica si farà in parte riferimento ad una recente ricerca dell’Institute of Space System (Università di Stuttgart Germania) descritta in un paper pubblicato a dicembre 2022 (su Acta Astronautica) di cui verranno riassunti alcuni risultati. In tale lavoro viene preso come primo riferimento il satellite GOCE dell’ESA, approssimato per semplicità ad un cilindro. Attraverso specifici algoritmi, che si basano anche sul lavoro proposto da Sentman, vengono ottenuti dei profili bidimensionali e successivamente, con opportuni metodi, quelli tridimensionali che minimizzano l’effetto dell’atmosfera residua. Nello studio viene inoltre verificato il comportamento di queste geometrie attraverso delle simulazioni di Monte Carlo. I risultati permettono di ottenere un aumento della vita operativa fino al 46%. Tuttavia, nel paper vengono anche trattate forme alternative, in particolare ad anello, con un incremento potenzialmente superiore. Si approfondiranno dunque queste tematiche per mostrare l’importanza della ricerca riguardante questo tipo di tecnologia.