Very-Low-Earth-Orbit (VLEO) is receiving attention for its economical launch options and communication benefits. The increasing demand for VLEO space vehicles has highlighted the significance of understanding gas-surface interactions (GSI) in this environment. Atomic oxygen (AO), a predominant species of the residual atmosphere in VLEO, adsorbs onto spacecraft surfaces, modifying GSI and drag forces. AO adsorption results in the accumulation of AO on the surfaces and alters GSI. GSI has been conventionally modeled by the Maxwell or Cercignani-Lampis-Lord (CLL) momentum exchange model. However, these models have limitations in capturing AO adsorption effects on the surfaces and an adaptive GSI method that accounts for AO adsorption is required. In this study, an AO adsorption adaptive gas-surface interaction method (AAA method) is developed and validated using spherical satellite cases. A particle-based Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) analysis is conducted to numerically solve the Boltzmann equation. The DSMC code SPARTA developed by Sandia National Laboratory is utilized. A surface chemistry framework is employed to model AO adsorption. The relationship between AO surface coverage and energy accommodation is investigated. This relationship is implemented in DSMC, self-consistently updating the energy accommodation based on the AO surface coverage on each surface element. Results demonstrate that the AAA method accurately captures the effects of AO adsorption on the surfaces and the resulting changes in GSI. Significant deviations from the conventional fully diffuse reflection assumption are observed, especially at high altitudes. The AAA method is applied to calculate the drag of various shapes. Drag is classified into three generation mechanisms: gas-surface collision without adsorption or desorption, adsorption, and desorption. As altitude increases and solar activity weakens, the proportion of adsorption and desorption in the total drag coefficient significantly increases, reaching over 70%. This study demonstrates the importance of considering AO adsorption and desorption when predicting drag in VLEO.

지구 초저궤도는 적은 발사 비용 등 다양한 이점으로 인해 주목받고 있다. 그러나 초저궤도에는 잔존 대기가 존재하여 항력이 발생하고 이는 임무 수명을 결정하기 때문에 항력을 정확히 예측하는 것은 임무 설계에 있어 필수적이다. 초저궤도 대기 중 높은 비율을 차지하고 있는 원자 산소는 표면에 흡착하여 축적되기 때문에 기체-표면 상호작용을 변화시키고 이는 항력에까지 영향을 미친다. 그러나 기체-표면 상호작용의 모사를 위해 기존에 널리 사용되던 운동량 교환 모델은 원자 산소의 흡착으로 인한 표면의 변화를 고려하지 못한다는 한계점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 초저궤도 우주비행체에서의 기체-표면 상호작용을 모사하기 위해 원자 산소 흡착을 고려한 적응형 기체-표면 상호작용 기법을 개발하고 검증하였다. 이 기법을 개발하기 위하여 초저궤도의 희박한 대기 조건에 부합하는 지배 방정식인 볼츠만 방정식을 기반으로 한 전산 모사를 진행하였다. 전산 모사의 방법으로 몬테카를로 직접모사법이 사용되었고, 유한 속도 표면 화학 모델을 통해 원자 산소의 흡착을 고려하였다. 결과적으로 해당 기법을 통해 원자 산소의 흡착과 그로 인해 변화하는 기체-표면 상호작용을 높은 정확도로 모사할 수 있었다. 해당 기법은 평판, 원, 구 형상의 항력 분석에 적용되었다. 항력은 발생하는 메커니즘에 따라 흡착, 탈착 그리고 단순 충돌로 분류하였다. 그 결과 고도가 증가하고 태양 활동이 약해짐에 따라 흡착과 탈착으로 인한 항력이 차지하는 비율이 70% 이상으로 크게 증가하며 항력 분석에 있어 원자 산소의 흡착과 탈착을 고려해야 할 필요성을 확인하였다.