Modelleringsstrategie voor blackout-analyse van re-entry-phases in ruimte exploratiemissies

Communicatiesystemen spelen een cruciale rol bij ruimtemissies en bieden de mogelijkheid om gegevens, commando’s en telemetrie uit te wisselen tussen het ruimtevaartuig en de grondstations op aarde. Van de verschil- lende fases van een ruimtemissie is atmosferische terugkeer een van de meest uitdagende: tijdens deze fase komt een ruimtevaartuig met hoge snelheid een planetaire atmosfeer binnen, in het hypersonische regime, en moet het vertragen totdat het voorzichtig op het oppervlak van de planeet kan lan- den. Tijdens deze fase resulteren de hoge temperaturen die rond het ruimte- vaartuig worden gegenereerd, in de vorming van plasma. Plasma interageert met elektromagnetische golven en verstoort alle communicatie-, navigatie- en telemetriesignalen, wat uiteindelijk leidt tot het bekende radio black-out probleem. Het communicatieverlies tijdens de atmosferische terugkeer in- troduceert aanzienlijke inbreuken op de veiligheid van het voertuig, zoals voertuig tracking, de mogelijkheden om tegenmaatregelen te nemen, en zou zelfs het succes van de gehele missie kunnen ondermijnen.

De voorgestelde methodologie is gebaseerd op de combinatie van Compu- tational Fluid Dynamics (CFD)-simulaties en optische ray tracing. CFD- simulaties laten toe om de stromingsomstandigheden rond het ruimtevaar- tuig dat zich aan hypersonische snelheid verplaatst in planetaire atmosferen te reproduceren. Deze zijn gekenmerkt door een plasma laag die gedurende de hele missie in vorm en tijd evolueert. Zodra de stroomoplossingen op verschillende punten tijdens het terugkeertraject zijn gegenereerd, wordt een ray tracing-methode gebruikt om de interactie te analyseren tussen het radiofrequentie (RF) signaal dat wordt uitgezonden door de antenne van het ruimtevaartuig en het terugkeerplasma. De ray tracing-analyse maakt het mogelijk informatie te verzamelen over de belangrijkste voortplant- ingsrichtingen van het elektromagnetische (EM) signaal rond het ruimte- vaartuig, alsook inzicht te verschaffen in de fysieke verschijnselen die be- trokken zijn bij atmosferische black-out. Bij black-outcondities heeft het model een complex pad van EM-golven rond het ruimtevaartuig voorspelt, wat resulteert in de belemmering van de communicatie tussen het ruimte- vaartuig en het grondstation.