Análisis numérico de disksats para aplicaciones en órbitas bajas

Abstract

En los últimos años, el sector aeroespacial ha desarrollado diversas soluciones para la creación de satélites, optimizando recursos y avanzando tecnológicamente. Una de estas soluciones es DiskSat, un nanosatélite que mejora la relación potencia/masa. Este trabajo estudia una version de DiskSat a distintas altitudes de la atmósfera terrestre para comparar el comportamiento del fluido (N2, O2 y O), su estructura e interacciones aerodinámicas. El estudio se realizo utilizando el método DSMC (Direct Simulation Monte Carlo) con el código dsmcFoamPlus de OpenFOAM. Para validar el método, se simularon condiciones hipersónicas en una placa plana, obteniendo resultados concordantes con la literatura y confirmando el comportamiento correcto a pesar de la variación de parámetros. Se realizaron tres simulaciones del DiskSat a altitudes de 100 km, 150 km y 200 km, analizando las propiedades macroscópicas del flujo, perfiles predeterminados y propiedades geométricas. Los resultados muestran que a 100[km] hay ondas de choque más pequeñas y mayores propiedades. A 150[km], la onda de choque se expande y las propiedades disminuyen, incluyendo las fuerzas. A 200[km], las diferencias son notables: mayor tamano de la onda de choque, menores velocidades y temperaturas, y propiedades insignificantes en comparacion con el caso base. Estas diferencias sugieren que a 100[km] se requieren mayores requisitos ingenieriles térmicos y mecánicos que a 200[km], según las propiedades estudiadas.

In recent years, the aerospace sector has developed various solutions for the creation of satellites, optimizing resources and advancing technologically. One of these solutions is DiskSat, a nanosatellite that improves the power-to-mass ratio. This work studies a version of DiskSat at different altitudes in the Earth’s atmosphere to compare the behavior of the fluid (N2, O2, and O), its structure, and aerodynamic interactions. The study was conducted using the DSMC (Direct Simulation Monte Carlo) method with the dsmcFoamPlus code from OpenFOAM. To validate the method, hypersonic conditions on a flat plate were simulated, obtaining results consistent with the literature and confirming the correct behavior despite parameter variations. Three simulations of DiskSat were performed at altitudes of 100[km], 150[km], and 200[km], analyzing the macroscopic properties of the flow, predetermined profiles, and geometric properties. The results show that at 100[km] there are smaller shock waves and greater properties. At 150[km], the shock wave expands, and the properties decrease, including the forces. At 200[km], the differences are notable: larger shock wave size, lower speeds and temperatures, and insignificant properties compared to the base case. These differences suggest that at 100[km], higher thermal and mechanical engineering requirements are needed than at 200[km], according to the studied properties.