Development of a radio communication blackout model for re-entering vehicles: application to the ESA reusable spaceplanes

Vehicles entering the atmosphere at hypersonic speed are enveloped in a plasma sheath. At a sufficiently high plasma density, the sheath attenuates radio waves to and from the vehicle, preventing radio communications. The present work, developed in collaboration with Thales Alenia Space Italy, is part of a research line on blackout degree of predictability. The final goal is that of developing a novel technique for predicting the radio communications blackout numerically so as to fulfill the need of defining the blackout window extension of the ESA Space Rider, a reusable spaceplane scheduled for launch in 2028. A blackout estimation model is established based on the numerical prediction of the plasma sheath thickness near antennas. First, CFD simulations are conducted considering the re-entry path of the IXV vehicle, a prototype launched in 2015 for which in-flight measures are available. Predictions are verified against in-flight measurements. Afterwards, a CFD campaign is carried out for ESA Space Rider. Its blackout window is estimated applying the previously validated blackout model.

I veicoli che entrano nell'atmosfera a velocità ipersonica vengono avvolti in una guaina di plasma. Se la densità di plasma è sufficientemente elevata, la guaina attenua le onde radio da e verso il veicolo, impedendo le comunicazioni radio. Il presente lavoro, sviluppato in collaborazione con Thales Alenia Space Italia, fa parte di una linea di ricerca sul grado di prevedibilità del blackout. L'obiettivo finale è quello di sviluppare una nuova tecnica per prevedere numericamente il blackout delle comunicazioni, in modo da soddisfare la necessità di definire l'estensione della finestra di blackout di Space Rider, uno spazioplano riutilizzabile dell'ESA il cui lancio è previsto nel 2028. Un modello di stima del blackout è stabilito sulla base della previsione numerica dello spessore della guaina di plasma vicino alle antenne. Prima di tutto, vengono effettuate delle simulazioni CFD sul percorso di rientro del veicolo IXV, un prototipo di Space Rider lanciato nel 2015 e per il quale sono disponibili le misure di volo. Le previsioni vengono verificate rispetto a tali misurazioni. Successivamente, viene eseguita una campagna CFD per Space Rider. La sua finestra di blackout è stimata applicando il modello di blackout precedentemente validato.