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Aerodynamische Bahnregelung

Wir erforschen, wie die Restatmosphäre der Erde Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen beeinflusst, wie sich die aerodynamischen Kräfte gezielt zur Bahnsteuerung nutzen lassen und wie sich umgekehrt aus Bahndaten Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Atmosphäre ziehen lassen.

Dargestellt ist ein Satellit mit den von seinem Schwerpunkt ausgehenden Achsen des körperfesten und aerodynamischen Koordinatensystems sowie den aerodynamischen Kräften: Widerstand (entgegen der Relativgeschwindigkeit zur Atmosphäre), Auftrieb (senkrecht zur Relativgeschwindigkeit) und deren Summe, mit Anstell- und Schiebewinkel zur Orientierung des Körpers relativ zur Anströmung.

Aerodynamischer Auftrieb (Index "L", wie "Lift") und Widerstand (Index "D", wie "Drag") eines Satelliten bei Interaktion mit der Atmosphäre. Die Lage des Satelliten relativ zur Anströmung wird mit dem Anstellwinkel ("alpha") und dem Schiebewinkel ("beta") beschrieben.

Die Dichte der Erdatmosphäre nimmt mit der Höhe näherungsweise exponentiell ab, hat in niedrigen Umlaufbahnen jedoch einen nicht vernachlässigbaren Einfluss auf Satelliten: Durch die Wechselwirkung mit den Teilchen der Restatmosphäre erfahren Satelliten aerodynamische Kräfte. In sehr niedrigen Erdumlaufbahnen (VLEO, unter 450 km) stellen diese nach den gravitativen Effekten die größte Störung der Bahnbewegung dar. Sie müssen daher in Auslegung und Betrieb von Raumfahrzeugen berücksichtigt werden, bieten zugleich aber auch die Möglichkeit, die Bahn gezielt zu beeinflussen. Wie in nebenstehender Abbildung dargestellt, lässt sich die aerodynamische Kraft in zwei Komponenten aufteilen: Widerstand wirkt entgegengesetzt und Auftrieb senkrecht zur Anströmgeschwindigkeit. Beide hängen in großem Maße von der Lage des Satelliten ab, beschrieben durch den Anstellwinkel und den Schiebewinkel.

Unsere Tätigkeiten umfassen:

Charakterisierung aerodynamischer Eigenschaften von Satelliten um Widerstands- und Auftriebskoeffizienten zu bestimmen
Design angepasster Satellitengeometrien um die aerodynamischen Eigenschaften zu verbessern und dadurch Lebensdauer und Manövrierbarkeit zu erhöhen
Schätzung der atmosphärischen Bedingungen wie Dichte und Wind auf Basis beobachtbarer Einflüsse auf die Satellitenbahnen
Modellierung des variablen Einflusses der aerodynamischen Kräfte auf die Satellitenbahn
Planung und Optimierung aerodynamischer Manöver unter Berücksichtigung von Unsicherheiten

Warum VLEO?

Sehr niedrige Erdorbits (VLEO, unter 450 km) ermöglichen hochauflösende Erdbeobachtung, schnelle Kommunikation und niedrigere Startkosten als traditionelle, höhere Umlaufbahnen. Die Interaktion zwischen Partikeln der Restatmosphäre und Satellitenoberflächen führt allerdings zu aerodynamischen Kräften, welche die Satellitenbewegung beeinflussen, zu einer Verringerung der Lebensdauer führen und damit nachhaltigen Satellitenbetrieb in diesen Höhen erschweren. Daher sind für den nachhaltigen Satellitenbetrieb in VLEO neue Technologien und Strategien erforderlich.

Wir untersuchen, wie die Interaktion mit der Atmosphäre Satellitenbahnen verändert und leiten daraus Manöverstrategien ab. Anwendungen sind etwa die Bahnsteuerung und -korrektur einzelner Satelliten und Formationen sowie die Kollisionsvermeidung. Durch gezielte Steuerung der aerodynamischen Kräfte, etwa über die Lage des Satelliten relativ zur Anströmung, lassen sich Bahnänderungen ohne zusätzlichen Treibstoffverbrauch erzielen. Während sich mit Widerstand hauptsächlich die Bewegung innerhalb der Bahnebene steuern lässt, erlaubt Auftrieb außerdem Anpassungen der Bahnebene im Raum. Da jedoch jegliche Auftriebserzeugung mit einer Erhöhung des Widerstands einhergeht, untersuchen wir, wie sich solche Manöver hinsichtlich des zusätzlichen Höhenverlusts optimieren lassen. Für eine Inklinationsänderung sind das einfache und optimale Profil in untenstehender Abbildung beispielhaft dargestellt.

Die aerodynamischen Kräfte hängen von zahlreichen Parametern ab, die jeweils mit Unsicherheiten behaftet sind. Dichte und chemische Zusammensetzung der Atmosphäre unterliegen großen Schwankungen, unter anderem hängen sie von der Sonnen- und geomagnetischen Aktivität ab, und können mit Modellen nur unsicher vorhergesagt werden. Auch die Wechselwirkung der atmosphärischen Teilchen mit der Satellitenoberfläche ist sehr komplex und die zugehörigen Modelle sind experimentell bisher nur eingeschränkt validiert.

Da die Atmosphäre die Bahn eines Satelliten messbar beeinflusst, lässt sich dieser Zusammenhang auch umkehren: Ausgehend von Beobachtungen der Bahnen aktiver Satelliten lassen sich Rückschlüsse auf die atmosphärische Dichte und Winde ziehen. Damit können Modelle der oberen Atmosphäre (Thermosphäre) verbessert, und die Ungenauigkeit der Dichteschätzung reduziert werden. Langfristig bietet eine verbesserte Modellierung der Thermosphäre auf Basis von Echtzeitdaten präzisere Vorhersagen von Wiedereintritten, Lebensdauern und Kollisionsrisiken.