Preliminary mission analysis and design for a hybrid transfer to the geostationary orbit

The classic strategy to place a satellite in the Geostationary Orbit (GEO) relies on high-thrust chemical propulsion. This option has proven to be effective and grants short transfer times. On the other hand, the increase of power levels required by payloads in GEO satellites has paved the way to all-electric solutions, characterized by low- thrust. This strategy involves designing more efficient satellites, be- cause the higher propellant-saving, at the cost of accounting for longer transfer times, which can be on the order of up to six months, de- pending on the thrust-to-mass authority. The two options available give rise to platforms having divergent features. On the one hand, we have the fully chemical satellite, with short transfer times but large propellant consumption, on the other hand, the fully electric satellite, with low propellant mass fractions but long times-of-flight. This dichotomy is too firm and forbids widening the tradespace in the preliminary design of GEO satellites. A way to account for intermediate design solutions consists in al- lowing the two propulsion systems to operate together, but at different times, to reach GEO and to maneuver the satellite during the operational phase of the payload. In principle, a hybrid transfer may lead to a family of design solutions that fill the gap between the two classical solutions, thus demonstrating that the fully chemical transfers and the fully electric transfers are only the boundaries of this new tradespace. A methodology to preliminary assess this kind of design solutions is not established yet, and requires a non-trivial procedure. This work elaborates the concept of a hybrid transfer for GEO applications. A preliminary design procedure is derived, which al- lows evaluating the usefulness of hybrid transfers for a given payload power. The preliminary mission and system design is combined with the solar-cell degradation analysis due to passage through radiation belts. These involve high-thrust and low-thrust trajectories analyses, power subsystem sizing, electric and chemical propulsion modeling. The overall benefits of hybrid transfer are evaluated by using economical models as well, because the revenues of the industry of the GEO satellites are more than one hundred billion dollars, so making the related market very profitable. The results show that hybrid transfers may be conceived as a viable option to widen the tradespace for the next generation of GEO satellites.

La strategia classica per inserire un satellite in Orbita Geostazionaria (GEO) fa affidamento sulla propulsione chimica ad alta spinta. Questa soluzione si è dimostrata efficiente ed inoltre garantisce bassi tempi di trasferimento. Dall’altro lato, l’incremento di potenza richiesta da parte dei carichi paganti dei satelliti in GEO ha pavimentato la strada alle soluzioni completamente elettriche a bassa spinta. Questa strate- gia implica il design di satelliti più efficienti, poiché il risparmio di propellente è alto, aumentando però i tempi del trasferimento fino a sei mes,i in base al valore del rapporto massa-spinta del satellite. Le due opzioni disponibili danno origine a piattaforme con funzionali- tà differenti. Da un lato, i satelliti equipaggiati con il solo sistema di propulsione chimica, con tempi di trasferimento brevi ma consumi di propellente alti; dall’altro lato, i satelliti completamente elettrici, con piccole frazioni di propellente utilizzato ma lunghi tempi di volo. Questa dicotomia è troppo rigida ed impedisce di estendere lo spazio delle soluzioni di progetto preliminare dei satelliti in GEO. Un modo per considerare soluzioni intermedie consiste nel per- mettere ai due sistemi propulsivi di operare assieme, ma in momenti differenti, per arrivare in GEO e per manovrare il satellite durante il funzionamento del proprio carico pagante. In linea di principio, il trasferimento ibrido potrebbe portare ad una famiglia di soluzio- ni progettuali che colmano il divario tra le due classiche strategie, dimostrando che i trasferimenti completamente chimici e quelli com- pletamente elettrici occupano solamente i confini del nuovo spazio di soluzioni. Un metodo per valutare questa categoria di trasferimenti non è ancora stato stabilito, e richiede una procedura non banale. Questo lavoro elabora il concetto di trasferimento ibrido per appli- cazioni in GEO, ricavando una procedura di design che permette di valutarne l’utilità quando la potenza richiesta dal carico pagante è costante e fissata. Il design preliminare di missione e dei sottosistemi del satellite è collegato ad un’analisi della degradazione della cella solare durante il passaggio nelle fasce radioattive. Sono coinvolte lo studio di traiettorie ad alta e bassa spinta, il dimensionamento del si- stema di potenza e la modellazione del sistema propulsivo chimico e quello elettrico. Inoltre, i benefici dei trasferimenti ibridi sono stimati anche tramite un modello di costo, in quanto i ricavi dell’industria dei satelliti in GEO sono nell’ordine di un centinaio di bilioni di dol- lari, rendendone così il mercato molto appetibile. I risultati mostrano che i trasferimenti ibridi possono essere concepiti come un’opzione plausibile per estendere lo spazio delle soluzioni di trasferimento in GEO per i satelliti di prossima generazione.