Sistemas de desorbitado para nanosatélites. Análisis de la performance del Plasma Brake

Abstract

Este trabajo fin de grado se centra en el estudio del creciente problema de los desechos espaciales y en el análisis del rendimiento de uno de los sistemas de desorbitación, el Plasma Brake, en órbitas bajas. La primera parte del documento engloba un estado del arte en el que se trata el estado actual de los desechos espaciales, su impacto económico y operativo, algunos incidentes notables, marcos legales y éticos, y tecnologías de mitigación de estos desechos. Se destaca la necesidad de métodos eficientes para la eliminación de la basura espacial, como sistemas de eliminación activa, sistemas de prevención de colisiones en tiempo real y sistemas de desorbitado. Entre estos, el Plasma Brake es uno de los métodos estudiados para la desorbitación de satélites. La segunda parte se centra en el análisis del rendimiento del Plasma Brake. Se presentan modelos analíticos y simulaciones numéricas para predecir su rendimiento en diferentes escenarios de misión. Se valida un modelo matemático simplificado y se introducen métodos para evaluar rápidamente el tiempo de decaimiento de un CubeSat con Plasma Brake. El modelo considera la fuerza de arrastre inducida por el plasma como constante y su dirección como puramente circunferencial, lo que simplifica los cálculos y reduce el tiempo de computación. El proyecto también se enfoca en la influencia de la radiación solar en el tiempo de decaimiento de satélites equipados con dispositivos de Plasma Brake, utilizando conceptos fundamentales de Mecánica Orbital y modelos de software de clima espacial. Finalmente, en el último capítulo se presentan los resultados obtenidos tras el análisis del rendimiento del Plasma Brake mediante los modelos analíticos y simulaciones numéricas, abor dando la influencia de la radiación solar en el tiempo de decaimiento de satélites equipados con Plasma Brake.

This project’s primary focus is on researching the increasing issue of space debris and evaluating the effectiveness of the Plasma Brake deorbiting system in low orbits. The initial section of this study covers an overview of the current situation regarding space debris, including its economic and operational effects, notable events, legal and ethical guidelines, as well as technologies for managing space debris. It emphasizes the importance of effective methods for clearing space debris, like active space debris removal systems, just-in-time collision avoidance systems, and deorbiting systems. Among these, Plasma Brake is one of the methods studied for satellite deorbiting. The second part focuses on the analysis of Plasma Brake performance. Analytical models and numerical simulations are presented to predict its performance in different mission scenarios. A simplified mathematical model is validated and methods are introduced to evaluate the decay time of a CubeSat with Plasma Brake. The model considers the plasma-induced drag force as constant and its direction as purely circumferential, which simplifies the calculations and reduces the computational time. The project also focuses on the influence of solar radiation on the decay time of satellites equipped with Plasma Brake devices, using fundamental concepts of Orbital Mechanics and space weather software models. Finally, the last chapter presents the results obtained after the analysis of the Plasma Brake performance through analytical models and numerical simulations, addressing the influence of solar radiation on the decay time of satellites equipped with Plasma Brake.