Concept design and system modeling of a new liquid storable green bi-propellant rocket for upper stage

The exploration and exploitation of space has been a costly endeavor, that has undoubtedly yielded a vastly improved understanding of our planet, our solar system, and the wonders of the universe. Countless benefits are obtained in daily life thanks to in-space technologies. Present day small satellites rival and, in some aspects, surpass the capabilities of traditional large satellites at a fraction of the cost. The rapid increase of small satellites to be orbited and the need for placement flexibility and launch responsiveness can create a launch offer crunch, stimulating the need for innovative launch services that are convenient, cost-effective and flexible. In this scenario, improved sensibility towards the environment fosters the research of alternative propulsion systems with lower end-to-end pollution footprint. The present work deals with the conceptual design of a bi-propellant engine, featuring a green propellant solution, and meant to constitute the final stage propulsion of a small satellite launcher. A three-fold activity is faced. As a first step, the choice of a suitable green propellant couple is performed, trading-off among few possible alternatives. Secondly, a model of the overall test-phase engine was implemented in Modelica in order to provide a suitable tool for a preliminary behavioral estimation of the physical components and successively a validation mean for any test result. Finally, an analysis in terms of sensitivity and instability was performed on the model with the purpose of supporting the realization of the physical prototype. The requirements imposed for the project were followed as guidelines throughout the whole procedure, leading to a progressive technology selection. As briefly outlined, the presented work is part of a larger project which still needs to be widely developed towards the realization of a complete test prototype.

L'esplorazione e lo sfruttamento dello spazio sono state un'impresa costosa, ma che ha indubbiamente portato a una migliore comprensione del nostro pianeta, del nostro sistema solare e delle meraviglie dell'universo, per non parlare dei benefici quotidiani che ne derivano. I più moderni piccoli satelliti sono in molti casi comparabili e, per alcuni aspetti, superano le capacità dei grandi satelliti tradizionali, ma ad un costo molto inferiore. Di conseguenza, il rapido aumento dei piccoli satelliti che si prevede di mettere in orbita, la necessità di flessibilità nel posizionamento e la reattività di lancio per mantenere tali costellazioni può creare una crisi nell'offerta di lancio, stimolando la necessità di servizi di lancio innovativi che siano convenienti, economici e flessibili. Inoltre, l'interesse per i cosiddetti "green propellants" è una tendenza in crescita soprattutto in Europa. Il presente lavoro tratta parte della progettazione di un motore bi-propellente, caratterizzato da una soluzione "green" e destinato a costituire lo stadio finale di propulsione di un lanciatore per piccoli satelliti. In particolare, vengono affrontati tre punti. Come primo passo, la scelta di una coppia fuel-oxidizer "green" adatta allo scopo viene effettuata tramite un trade-off fra le alternative considerate. In secondo luogo, è stato implementato in Modelica un modello del motore complessivo per la fase di test, al fine di fornire uno strumento adeguato a una stima funzionale dei componenti fisici, e successivamente un mezzo di validazione dei risultati in fase di test. Infine, un'analisi di sensibilità e instabilità sono state eseguite sul modello con lo scopo di facilitare la realizzazione del prototipo fisico. I requisiti imposti per il progetto sono stati seguiti come linee guida durante l'intera procedura, portando così ad una selezione in termini di soluzioni tecnologiche. Come accennato brevemente, il lavoro presentato fa parte di un progetto più ampio che deve essere ancora progressivamente sviluppato per la realizzazione di un prototipo di prova completo.