Ultrasound liquid fuel gasification to perform de-orbiting maneuvers

Since the advent of space race began with the launch of the first telecommunications satellite, the Sputnik 1 in 1957, the space debris generated by these activities began to accumulate in orbit around our planet, compromising the safety of the satellites currently in operation and the future manned space missions. During the first 30 years, this situation has been underestimated and ignored, bringing the problem to unsustainable levels due to the hundreds of thousands of debris currently present. At the state of the art, the main space agencies have launched numerous projects aimed at reducing space debris in the LEO (Low Earth Orbit) and GEO (Geostationary Earth Orbit) through the so-called remediation techniques, as well as identifying new design techniques for prevent the generation of additional "space junk", better known as mitigation techniques, which use systems capable of de-orbiting, after their use, the decommissioned satellites and those stages of the launchers that otherwise would remain in orbit increasing the risk of collision between same. In this regard, this thesis has the task of presenting the solution under study at the Omsk State Technical University, which consiststo equip the second stage of the Soyuz 2.1b launcher with a system capable of de-orbiting it after launch using the residual energy present in the form of unused propellant inside the launcher tanks and pressurized gases. Due to the fact that the second stage, after detachment, is in weightlessness and under indefinite trim conditions, it is necessary to gasify the propellant in order to take advantage of the energy contained within it. The gasification process just mentioned is not a simple operation, especially for kerosene RP-1 which, unlike liquid oxygen, is not cryogenic and consequently has a much higher boiling temperature. It was therefore decided to exploit an ultrasound system using piezoelectric emitters, in order to maximize the efficiency of the process and make it sufficiently short and safe. As a result, the gases thus obtained are then used in special handling nozzles or participate in a second combustion in the main engine to develop the thrust necessary to modify the return trajectory of the upper stage safely towards the Earth. In this thesis, after a careful and detailed description of the problem and possible solutions, we focus on the propellant gasification system, analyzing the components, the configurations and the possible uses. After a theoretical first part, necessary to fully understand the role of ultrasonic waves in the evaporation process, the experimental aspects related to the description of the laboratory on Russian soil, the program of experiments necessary for the collection of data and the drafting of the mathematical model are subsequently dealt. The analysis of the results plays a pivotal role in the study under examination, because different comparisons are made between the liquids considered in such a way as to characterize and describe the contribution of the ultrasounds in the evaporation process through atomization. Given the variation of some parameters such as the amplitude of the oscillations, the pressure and the temperature inside the tank, through a mathematical model, it will be therefore possible to characterize on a mathematical basis the phenomenon under examination, thus throwing the bases for subsequent studies that will allow to design, build and install the real system as a whole on the Soyuz launcher.

Dall'avvento della corsa allo spazio avviatasi con il lancio del primo satellite per telecomunicazioni, lo Sputnik 1 nel 1957, i detriti spaziali generati da queste attività hanno iniziato ad accumularsi in orbita attorno al nostro pianeta compromettendo la sicurezza dei satelliti attualmente in funzione e delle future missioni spaziali con equipaggio. Durante i primi 30 anni, questa situazione è stata sottovalutata ed ignorata, portando il problema a livelli insostenibili a causa delle centinaia di migliaia di detriti attualmente presenti. Allo stato dell'arte le principali agenzie spaziali hanno avviato numerosi progetti aventi lo scopo di ridurre i detriti spaziali nelle orbite LEO (Low Earth Orbit) e GEO (Geostationary Earth Orbit) attraverso le cosiddette remediation techniques, oltre ad identificare nuove tecniche di progettazione per impedire la generazione di ulteriore “spazzatura spaziale”, meglio note come mitigation techniques, che si avvalgono di sistemi in grado di deorbitare, dopo il loro utilizzo, i satelliti decommissionati e quegli stadi dei lanciatori che altrimenti rimarrebbero in orbita aumentando il rischio di collisione tra gli stessi. A tal proposito, questa tesi ha il compito di presentare la soluzione in fase di studio presso la Omsk State Technical University, che consiste nel dotare il secondo stadio del lanciatore Soyuz 2.1b di un sistema in grado di deorbitarlo dopo il lancio utilizzando l'energia residua presente sotto forma di propellente inutilizzato all'interno dei serbatoi del lanciatore e dai gas in pressione. Per via del fatto che il secondo stadio, dopo il distacco, si trova in assenza di peso ed in condizioni di assetto indefinite risulta essere necessario gassificare il propellente per poter usufruire dell'energia contenuta al suo interno. Il processo di gassificazione appena citato non è un'operazione semplice, in particolar modo per quanto riguarda il kerosene RP-1 il quale, a differenza dell'ossigeno liquido, non è criogenico e di conseguenza possiede una temperatura di ebollizione decisamente più elevata. Si è quindi pensato di sfruttare un sistema ad ultrasuoni mediante emittitori piezoelettrici, in modo tale da massimizzare l'efficienza del processo e renderlo sufficientemente breve e sicuro. Come risultato, i gas così ottenuti vengono poi utilizzati in appositi ugelli di manovra oppure partecipano ad una seconda combustione nel motore principale per sviluppare la spinta necessaria per modificare la traiettoria di rientro dello stadio superiore in modo sicuro verso la Terra. In questa tesi, dopo un'attenta e dettagliata descrizione del problema e delle possibili soluzioni, ci si focalizza sul sistema per la gassificazione del propellente analizzandone le componenti, le configurazioni ed i possibili utilizzi. A valle di una prima parte teorica, necessaria per comprendere a pieno il ruolo delle onde ultrasoniche nel processo di evaporazione, vengono successivamente affrontati gli aspetti sperimentali legati alla descrizione del laboratorio sul suolo Russo, al programma degli esperimenti necessari per la raccolta dei dati ed alla stesura del modello matematico. L'analisi dei risultati occupa un ruolo cardine nello studio in esame, poichè vengono effettuati diversi confronti tra i liquidi considerati in modo tale da caratterizzare e descrivere il contributo degli ultrasuoni nel processo di evaporazione tramite atomizzazione. A fronte della variazione di alcuni parametri come l'ampiezza delle oscillazioni, la pressione e la temperatura all'interno del serbatoio, tramite un modello matematico, sarà quindi possibile caratterizzare su base matematica per l'appunto, il fenomeno in esame, gettando così le basi per studi successivi che permetteranno di progettare, costruire ed installare il vero e proprio sistema nel suo complesso sul lanciatore Soyuz.