System-level optimization approach for small satellite moon missions by using electric propulsion and mission cost survey for Turkish space economy

Abstract

Bu çalışma iyon ve hall itki sistemlerini kullanarak, düşük maliyetli küçük uydu Ay görevi oluşturmak içcin sistem seviyesinde bir eniyileme yaklaşımı sunmaktadır. Sistem seviyesindeki eniyileme, maksimum faydalı yük kütlesi, uzay aracı minimum ilk kütlesi ve ideal uzay aracı hacim değerleri ile birlikte minimum uçuş zamanını bulmaktadır. Kesin bir görev analizi için iki tip eniyileme yaklaşımı çalışılmıştır; yinelemeli metot ve kısıtlı eniyileme metodu. Bu metotlar, iyon itki sistemi ile alçak yörüngeden (LEO) fırlatılan, iyon itki sistemi ile jeostatik yörüngeden (GEO) fırlatılan, hall itki sistemi ile alçak yörüngeden (LEO) fırlatılan ve hall itki sistemi ile jeostatik yörüngeden (GEO) fırlatılan, gibi çeşitli örev senaryoları hesaplamaktadırlar. Yinelemeli metotta, iyon itki sistemi ile alçak yörüngeden fırlatılan durum için uzay aracı kütlesi 213 kg ve itki sistemi değeri ise 23mN olmaktadır. Bu durum 980 günlük uçuş süresini oluşturmak icin 64 kg ksenon yakıtı gerektiriyor. İdeal uzay araç hacmi 0.70m3 olarak bulunur ve $108M maliyetlidir. Aynı itki seviyesi olan 23mN ile jeostatik yörüngeden fırlatılan durum ise 880 günlük uçuş zamanı ve 58 kg ksenon yakıtı gerektirmektedir. Bu durumda, toplam maliyet $2.5M azalmaktadır. Bunun yanında, hall itki sistemi kullanılarak gerçekleştirilen alçak yörünge görev senaryosu 0.8m3 uzay aracı hacmi, 287 kg uzay aracı ilk kütlesi ve 82 kg ksenon yakıtı gerektirmektedir. 77mN'luk itki sistemi,Ay'a doğru 208 günlük uçuş zamanı gerektirir ve $121M bir maliyeti vardır. Jeostatik yörünge fırlatmalı Hall durumu toplam uçuş zamanını, 65 kg ksenon yakıtı kullanarak 45 gün azaltır. Toplam uzay aracı kütlesi 230 kg, uzay aracı hacmi 0.71m3 ve maliyeti $115M olarak bulunur. Son olarak Ay görevi ortalama maliyeti Türkiye uzay ekonomisi icin tartışılmıştır. Uzay teknoloji talep yatırımları 2020'lerde $400M'a kadar artacaktır. $100M'lık bir ay görevi uygulanabilir görünse de üniversiteler, özel sektör ve devlet arasında çok önemli iş birliği gerektirmektedir.

This thesis presents a system-level optimization approach to perform low-cost small satellite lunar mission by using existing ion and hall propulsion systems. The system-level optimization finds minimum flight time accompanied with maximum payload mass, minimum initial spacecraft mass and optimum spacecraft volume values. To create accurate mission analysis two types of optimization approaches are studied;iterative method and constrained optimization method. These methods calculates various mission scenarios such as ion thruster LEO departure orbit, ion thruster GEO departure orbit and hall thruster LEO and GEO departure orbits. In the iterative method, ion thruster LEO departure case results a spacecraft mass of 213 kg and corresponding 23mN thrust value. This case needs 64 kg xenon propellant to perform 980 days flight duration to the Moon. The optimum spacecraft volume is found as 0.70m3 and costs $108.5M. Same thrust level of 23mN for GEO departure case takes 880 days with 58 kg xenon gas. The total cost reduces $2.5M. However by using hall thruster system, LEO departure case needs 0.8m3, 247 kg spacecraft including 82 kg xenon propellant. 77 mN thrust results 208 days ight time towards the Moon that ends up with $121M total cost. The GEO departure Hall case reduces the flight time an amount of 45 days by consuming 65 kg propellant. Total spacecraft mass and volume values are 230 kg, 0.71m3 that costs $115M. Finally, the overall cost of lunar mission cases is discussed for Turkey space economy. The space technology demand of investment will increase up to $400M in 2020s, an overall cost with $100M lunar mission seems applicable however needs significant collaboration among universities,private sector and government.