Multi-function thermal protection systems for aerogravity assist missions to the outer planets

The gravity assist (GA) is a technique used to increase the orbital energy of interplanetary spacecraft without propellant. A spacecraft can fly close to a celestial body and exchange momentum with the body via gravity. This momentum exchange slows the massive body imperceptibly, while greatly accelerating the comparatively tiny spacecraft. Several km/s of velocity can easily be gained by the spacecraft ‘for free’, with more massive planets providing larger velocity changes. The aerogravity assist (AGA) is an extension of the GA technique, whereby the spacecraft enters the atmosphere of the body and flies ‘upside down’. The inverted lift force can be thought of as a way to artificially increase the gravity of smaller bodies and increase the benefit of a flyby. Vehicles with high aerodynamic efficiency at hypersonic speeds, and low-drag thermal protection systems capable of handling severe thermal fluxes will be required in order to realise the potential gains of such flybys. This work explores in-depth the previously introduced Thermal AGA (TAGA) concept, in which a leading-edge coolant such as water absorbs high aerodynamic heat loads through vaporisation before being expelled for propulsion. Additional endothermic processes and multi-function thermal protection system concepts are explored, resulting in the proposal of an AGA mission with electric propulsion (AGA-EP). The AGA-EP concept is motivated by the incredible heat absorption capabilities of lithium, as well as ongoing research into use of lithium as a propellant for gridded ion thrusters. An interplanetary trajectory to Uranus with an AGA at Mars is defined, a detailed sensitivity analysis of the AGA flyby is conducted, and the preliminary sizing of a thermal protection system for a suitable vehicle geometry is completed. The payload delivery capability of an AGA-EP vehicle to Uranus appears to be competitive with traditional non-atmospheric spacecraft while no longer requiring a Jupiter gravity assist, opening up launch windows every 2-3 years rather than every 12-13 years when Jupiter and Uranus are aligned.

La fionda gravitazionale (Gravity Assist, GA) è una tecnica utilizzata per incrementare l'energia dell’orbita dei veicoli spaziali interplanetari senza l’uso di propellente. Una navicella spaziale, volando nelle vicinanze di un corpo celeste, scambia quantità di moto con il corpo per gravità. Questo scambio di quantità di moto rallenta impercettibilmente il corpo massiccio, mentre accelera notevolmente la navicella spaziale relativamente più piccola. Diversi km/s di velocità possono essere facilmente raggiunti dal veicolo spaziale "gratuitamente", con pianeti più massicci che forniscono cambiamenti di velocità maggiori. L'Aerogravity Assist (AGA) è un'estensione della tecnica GA, in cui però la navicella, entrando nell'atmosfera del corpo, vola "al contrario". La forza di portanza invertita può essere pensata come un modo per aumentare artificialmente la gravità dei corpi più piccoli, traendo maggior profitto da una fionda gravitazionale. Saranno necessari veicoli con elevata efficienza aerodinamica a velocità ipersoniche e sistemi di protezione termica a bassa resistenza in grado di gestire forti flussi termici per poter ottenere i potenziali guadagni di tali passaggi ravvicinati. Questo lavoro esplora in modo approfondito il Thermal AGA (TAGA) precedentemente introdotto, in cui un refrigerante all'avanguardia come l'acqua assorbe elevati carichi di calore aerodinamico attraverso la vaporizzazione, prima di essere espulso per la propulsione. Vengono esplorati ulteriori processi endotermici e sistemi di protezione termica multifunzione, con conseguente proposta di una missione AGA dotata di propulsione elettrica (AGA-EP). Il concetto AGA-EP è motivato dalle incredibili capacità di assorbimento del calore del litio, nonché dalla continua ricerca sull'uso di quest’ultimo come propellente per i propulsori ionici a griglia. Viene poi definita una traiettoria interplanetaria verso Urano con un AGA su Marte ed in seguito viene condotta un'analisi di sensibilità dettagliata del flyby AGA. Infine, viene completato il dimensionamento preliminare di un sistema di protezione termica per una geometria adeguata del veicolo. La capacità portante del carico utile di un veicolo AGA-EP su Urano sembra essere competitiva rispetto ai tradizionali veicoli spaziali non atmosferici, pur non richiedendo più l'assistenza gravitazionale di Giove, aprendo finestre di lancio ogni 2-3 anni anziché ogni 12-13 anni quando Giove e Urano sono allineati.