Numerisches Rahmenwerk zur Entwicklung von atmosphärenatmenden elektrischen Antriebssystemen für die Atmosphäre von Erde und Mars

Zusammenfassung: Atmosphärenatmende elektrische Antriebssysteme bieten einen Wettbewerbsvorteil für niedrigere Orbitale, da das Treibmittel direkt aus der Atmosphäre gesammelt wird. Die Effektivität dieser Technologie hängt von entscheidenden Aspekten wie der Charakterisierung der Sammlung und Kompression sowie der Abschätzungen und Kompensation des Luftwiderstands ab. Im ersten Teil dieser Studie wird die Charakterisierung der unteren Mars- und Erdatmosphäre auf der Grundlage aktueller Modelle und Missionsdaten abgeleitet. Diese Charakterisierung ist ein zuverlässiger Datensatz für die Randbedingungen der Simulationen, die im zweiten Teil dieser Studie durchgeführt werden. Das vorgeschlagene Berechnungsframework, das auf der Direct Simulation Monte Carlo-Methode basiert, zielt darauf ab, die Sammlungs- und Kompressionsleistungen zu untersuchen und den Luftwiderstand zu schätzen. Der numerische Vergleich mit einem Literaturfall validiert das in dieser Studie präsentierte numerische Setup. Der Einfluss verschiedener Gas-Oberflächen-Interaktionsmodelle wird untersucht, indem die Ergebnisse des Maxwell-Modells (vollständig spiegelnde und teilweise diffuse Reflexion) mit dem Cercignani-Lampis-Lord-Modell verglichen werden. Da intermolekulare Kollisionen am Einlass der Ionisationsstufe relevanter werden können, werden sowohl die variablen harten als auch die variablen weichen Kugelmodelle kurz untersucht, ebenso wie die Einbeziehung von gasphasenreaktionen. Schließlich werden die Simulationsergebnisse der beiden Fälle für den niedrigen Marsorbit (150 und 140 km) mit dem Erdfall (180 km) verglichen.