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.

Over the last two decades, Very Low Earth Orbit (VLEO) has gained researchers attention as it provides a significant amount of benefits in the field of earth observation and telecommunications. VLEO provides increased payload performance, improved geospatial accuracy, lower launch mass, simplified end of life disposal, and they reduce space-debris collision risk. However, the utilization of orbits with such low altitudes presents its own set of challenges, denser atmosphere will significantly increase aerodynamic drag, decaying the orbit in a short period of time. Besides increased drag VLEO environment will produce high levels of spacecraft (SC) charging and the presence of atomic oxygen will generate a constant erosion on the surfaces of the SC. An Atmosphere-Breathing Electric Propulsion (ABEP) ingests the residual atmosphere through an intake and uses it as propellant for an electric thruster. Theoretically applicable to any planet with an atmosphere, the system might allow drag compensation for an unlimited time without carrying propellant. In this thesis, different approaches for an intake are introduced, while the modeling, and numerical testing by Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) is also presented. The intake is optimized for the RF Helicon-based Plasma Thruster (IPT) developed at IRS and a new concept design takes advantage of new materials properties, for specular surface interactions. Simulation results over different altitudes and conditions used for the verification of the design have been performed achieving a maximum collection efficiency of 94%. / Under de senaste två decennierna har “Very Low Earth Orbit“ VLEO fått stor uppmärksamhet inom forskningsvärlden då det leder till en mängd fördelar inom jordobservation och telekommunikation. VLEO ger ökad nyttolastprestanda, förbättrad geospatial noggrannhet, lägre startmassa, förenklat bortförskaffande och minskning kollisionsrisken för rymdskräp. Användningen av omloppsbanor på så låg höjd medför dessvärre också utmaningar. Den lägre höjden innebär tätare atmosfär och ökar därav det aerodynamiska luftmotståndet avsevärt. Förutom ökad luftmotstånd kommer miljön i VLEO att producera höga nivåer av rymdfarkostladdning och närvaron av atomärt syre leder till en konstant erosion av farkosters ytor. En ABEP leder in den återstående atmosfären genom ett intag och använder den som drivmedel för en elektrisk drivraket. Teoretiskt tillämpbart på alla planeter med en atmosfär, kan systemet tillåta luftmotståndskompensation under obegränsad tid utan något annat drivmedel än den redan befintliga atmosfären. I denna avhandling presenteras olika modeller för ett intag samtidigt som modellering och numerisk testning av DSMC också presenteras. Intaget optimeras för den IPT som utvecklats vid IRS och en ny konceptdesign utnyttjar nya materialegenskaper för speciella ytinteraktioner. Simuleringsresultat över olika höjder och förhållanden som används för verifiering av designen har utförts och resulterat i en maximal insamlingseffektivitet på 94%. / In den letzten zwei Jahrzenten gewann die tiefe Erdumlaufbahn “Very Low Earth Orbit“ (VLEO) durch die erheblichen Vorteile für Erdbeobachtung und Telekommunikation an Aufmerksamkeit in der Wissenschaft. VLEO ermöglicht eine höhere Nutzlastleistung, verbesserte räumliche Genauigkeit, eine geringere Startmasse, vereinfachte “End-of-Life“ - Entsorgung und verringert das Kollisionsrisiko von Weltraumschrott. Die Nutzung von Umlaufbahnen in diesen geringen Höhen stellt jedoch auch eine Reihe von Herausforderungen dar. Die dichtere Atmosphäre im VLEO erhöht den Luftwiderstand erheblich und verringert die Umlaufbahn in kurzer Zeit. Neben dem erhöhten Luftwiderstand tritt auch hohe Raumschiff- oder Satellitenladung auf und durch atomaren Sauerstoff entsteht konstante Erosion an den Oberflächen. Ein atmosphärenatmender elektrischer Antrieb (ABEP) nimmt die Restatmosphäre über einen Einlass auf und verwendet sie als Treibstoff für ein elektrisches Triebwerk. Theoretisch auf jeden Planeten mit Atmosphäre anwendbar, könnte das System so den Widerstand zeitlich unbefristet ohne Treibstoffverwendung kompensieren. In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze für einen Einlass vorgestellt, und die Modellierung und numerischen Tests durch die “Direct Simulation Monte Carlo“ (DSMC) werden präsentiert. Der Einlass ist für den am IRS entwickelten RF Helicon-basierten Plasma Thruster (IPT) optimiert. Ein neues Konzeptdesign nutzt neue Materialeigenschaften für spiegelartige Oberflächen-Reflektionseigenschaften. Simulationsergebnisse verschiedener Höhen und Konditionen wurden zu der Überprüfung des Entwurfs verwendet, wobei eine maximale Einlassammlungswirkungsgrad von 94% erreicht wurde.