Skip to main content

Daedalus: omgaan met wrijvingswarmte tijdens een duik in de atmosfeer

Research Topic Chapter
News flash intro
Met de Daedalus-missie wil ESA de bovenste atmosfeer en de lagere ionosfeer van de aarde bestuderen. De satelliet zal hiervoor diep in de atmosfeer duiken bij het perigeum van zijn baan en zal regelmatig zijn baan moeten bijstellen om voor wrijvingsverliezen te compenseren. Het BIRA bestudeert een instrument voor deze missie: de neutrale zijwindsensor (CWS). Een uitdaging voor de missie en voor dit instrument in het bijzonder is het omgaan met de wrijvingswarmte die ontstaat wanneer Daedalus door de atmosfeer op lage hoogte duikt. Een intelligent thermisch ontwerp helpt de temperatuur van het instrument onder controle te houden.
Body text

De Daedalus-missie

De Daedalus-missie is een kandidaat voor de Earth Explorer 10 missie in ESA’s aardobservatieprogramma. Het doel is het bestuderen van de atmosfeer van de aarde tussen 100 en 200 km hoogte, de zogenaamde ‘ignorosfeer’, omdat dit gebied te hoog is om met ballonnen te bestuderen en te laag om een ​​ruimtevaartuig op die hoogte te houden omwille van de atmosferische wrijving.

De oplossing die Daedalus voorstelt, is om een ​​elliptische baan tot ver in de ruimte te kiezen en bij elke perigeumdoorgang (i.e. de dichtste nadering tot de Aarde) in de atmosfeer te duiken. Tijdens een dergelijke duik neemt de atmosferische wrijving toe met een piek rond het perigeum op 115 km hoogte. Lager dan dit punt stijgen de atmosferische dichtheid en de wrijvingskrachten op de satelliet zeer snel.

De neutrale zijwindsensor (CWS)

De zijwindsensor moet de windsnelheidscomponenten in het vlak loodrecht op de snelheid van het ruimtevaartuig meten. Samen met de ramsnelheidssensor, een apart instrument, maakt dit het mogelijk om de verticale en de twee horizontale windsnelheidscomponenten te meten, na correctie voor de snelheid van het ruimtevaartuig zelf. De windsnelheid in de bovenste atmosfeer kan oplopen tot enkele km/s.

Het werkingsprincipe is gebaseerd op de meting van het drukverschil tussen twee loodrechte paren meetvolumes. De druk in elk volume wordt gemeten met behulp van een gloeidraadionisatiemeter, een standaard type druksensor dat vaak wordt gebruikt in industriële toepassingen en in de ruimte. Tijdens een fase 0-studie hebben we een eerste ontwerp gemaakt van het instrument en hebben we expertise opgedaan met een dergelijke ionisatiemeter.

Het thermische probleem

CWS moet de wind “voelen” terwijl deze met een snelheid van ongeveer 7 km/s door de bovenste atmosfeer duikt bij perigeumdoorgang. Omdat de atmosferische dichtheid op 115 km hoogte niet te verwaarlozen is, leidt een dergelijke hoge relatieve snelheid tussen het ruimtetuig en de omringende lucht tot sterke wrijving. Een deel van de bewegingsenergie van de satelliet wordt daarbij omgezet in warmte, vooral aan de voorkant van het ruimtetuig, waar CWS zal worden ondergebracht.

Er werd een thermisch model gebouwd om het effect van de wrijvingswarmte op het instrument te berekenen. Dit model hielp bij het bepalen van het juiste wandmateriaal en de juiste dikte ervan, om deze warmte naar de basisplaat van het instrument en het chassis van het ruimtevaartuig te geleiden. Het is belangrijk dat de binnenwand van de meetvolumes op constante temperatuur blijft voor een juiste interpretatie van de metingen. Daarom krijgen de meetvolumes een dubbele wand met daartussen een isolatielaag.

Perspectieven

In het najaar van 2020 onderging Daedalus een grondige doorlichting. Er is nu verder werk nodig om tot een functioneel prototype van het instrument te komen.

 

Wil je er meer over weten?

European Space Agency. (2020). Report for Assessment: Earth Explorer 10 Candidate Mission Daedalus. European Space Agency, Noordwijk, The Netherlands, ESA-EOPSM-DAED-RP-3793.

Figure 2 body text
Figure 2 caption (legend)
Het conceptuele ontwerp van de neutrale zijwindsensor voor Daedalus (Credit: BIRA)
Figure 3 body text
Figure 3 caption (legend)
Het Daedalus-ruimtevaartuig en de wrijvingswarmteflux die het ervaart aan de voorkant op 115 km hoogte (CWS is het grote cirkelvormige object). (Credit: ESA/VKI/BIRA)
Figure 4 body text
Figure 4 caption (legend)
Het Daedalus-ruimtevaartuig (boven) en de wrijvingswarmteflux die het ervaart. Dit resulteert in een stijgende temperatuur in het voorste deel van de sensor. (Credit: ESA/VKI/BIRA)