Efecto de la altitud en desaceleradores aerodinámicos inflables durante la reentrada atmosférica de CubeSat

Abstract

En esta investigación se plantea el uso de desaceleradores aerodinámicos inflables (IAD) para reentrada atmosférica y recuperación de CubeSat, como una forma de atacar el problema del rápido aumento de la basura espacial. Los IADs se inflan en la etapa de reentrada y podrán usarse como sistema de protección térmica (TPS), ofreciendo una serie de ventajas por sobre TPSs rígidos. Así, se estudió la aerotermodinámica de un IAD sumergido en un flujo de aire hipersónico enrarecido, mediante el método Direct Simulation Monte Carlo (DSMC). Para ello, se realizó un proceso de validación y verifi cación del código dsmcFoam+. Se emplearon datos experimentales y num ericos del caso de prueba de un modelo de la sonda Mars Path nder, disponibles en la literatura. Estos datos se compararon con los resultados obtenidos con el código dsmcFoam+, encontrándose una buena concordancia entre dsmcFoam+ y los datos experimentales/numéricos disponibles en la literatura. Con ello, se validó el uso del código dsmcFoam+ en capturar la física de flujos de gas no reactivos en régimen hipersónico y enrarecido, sobre geometrías de tipo cono romo. Una vez validado el código dsmcFoam+, este se utilizó para investigar una con guración de IAD acoplada a un CubeSat 1U, para altitudes entre los 115 y 95 km. Se observó la formación de una onda de choque altamente difusa aguas arriba del vehículo. En el hombro del IAD se genera una abrupta expansión del flujo hacia la estela cercana. Los resultados mostraron que la variación de altitud tiene un efecto signi cativo sobre la estructura del campo de flujo alrededor del vehículo. Durante la reentrada atmosférica, la onda de choque disminuye su nivel de difusión y se aproxima a la super cie frontal del IAD, aumentando en forma importante los gradientes de las propiedades macroscópicas. Las distribuciones de presión y densidad aumentan en forma exponencial con la reducción de la altitud. Por su parte, el nivel de expansión del ujo en la estela cercana disminuye a menores altitudes. Las cantidades super ciales (el flujo de calor, la presión y el esfuerzo cortante) alcanzan valores máximos en la parte frontal del IAD, y disminuyen abruptamente en el hombro y hacia la base del IAD. Sobre la super cie del CubeSat 1U, el flujo de calor, la presión y el esfuerzo cortante no superan el 1% del valor máximo de la parte frontal del IAD, para cada altitud analizada. Estos resultados permitieron comprobar la e cacia del uso de IADs para reducir las cargas térmicas y mecánicas sobre CubeSats. Además, se determinó que las cantidades super ciales aumentan exponencialmente durante la entrada atmosférica, para el rango de altitud analizado.