Very Low Earth Orbit (VLEO) provides many benefits for space missions, including better image resolution for Earth observation, better telecommunication link with ground stations, lower launch cost, lower risk of collisions, and fast end-of-life disposal. The last point in benefit is also the main challenge for placing satellites in VLEO. Being so close to the Earth’s surface, with mean orbital altitude below 450 km, there’s still a significant amount of atmospheric particles left in VLEO, which causes drag force. A spacecraft operating in VLEO will de-orbit within months or even less if the drag force is not compensated. Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP) is a potential solution for this challenge. An ABEP system comprises an atmospheric particle intake and an Electric Propulsion (EP) system. The intake collects particles and delivers them to the electric thruster’s Discharge Channel (DC), the EP system then ionizes the particles and accelerates them out to generate thrust. The ABEP design by Institute of Space Systems (IRS) at the University of Stuttgart has been ongoing, where various design concepts for the intake were studied, and the specular intake design has been selected for further investigation. Subsequent simulations at IRS showed stagnation and backflow inside the new specular intake, with increased intake length and frontal diameter. So, for this thesis, Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) simulations were performed for the specular intake to investigate its geometry sensitivity. It was found that due to high particle thermal velocities in the VLEO, the collection coefficient (intake collection ability) decreases with the increase in intake length. And in combination with the drag analysis of the specular intake, it was concluded that, for a specular intake with a DC diameter of 37 mm, the optimum intake length is below one meter.

VLEO ger många fördelar för rymduppdrag vilket inkluderar bättre bildupplösning för observation av jorden, bättre telekommunikation med markstationer, lägre uppskjutningskostnad, lägre risk för kollisioner och för att snabbt komma ur omloppsbana. Den sista fördelen är för utmaningen att placera satelliter i VLEO. Eftersom det är så nära jordens yta finns det fortfarande en signifikant mängd luftmolekyler kvar i omgivningen, vilket orsakar motstånds. En rymdfarkost som verkar i VLEO kommer att gå ur omloppsbanan inom några månader eller inom kortare tid, om motståndskraften inte kompenseras. ABEP är en potentiell lösning för denna utmaning. Ett ABEP-system består av ett luftmolekylintag och ett elektriskt framdrivningssystem. Intaget samlar in luftmolekyler och ledar dem till urladdningskanal. Det elektriska framdrivningssystem joniserar sedan luftpartiklarna och accelererar sedan ut dem för att genera dragkraft. ABEP-designen av IRS i University of Stuttgart har vart pågående och det fanns flera förslag för luftintaget. Den bästa intagsdesignen, som kallas ”specular intake”, valdes och undersöktes ytterligare. Påföljande simuleringar visade att det finns stagnationsflöde och ”backflow” inuti det nya intaget, med ökad diameter och intagslängd. I detta examensarbete utfördes DSMC-simuleringar för specular intake för att undersöka geometrins känslighet. Det visade sig att på grund av termiska partikelhastigheter i VLEO minskar collection coefficient (intagsuppsamlingsförmågan) med ökningen av intagslängden. Tillsammans med luftmotståndsanalysen för specular intake drogs slutsatsen att, för ett specular intake med en DC diameter på 37 mm, är den optimala intagslängden under 1 meter.