New space constellations : launch and deployment strategies

The last few years have seen the birth of several constellation operators, driven by the demand for new services from space applications. The use of small and micro satellites systems has contributed to the reduction of costs of production and satellite services, expanding, at the same time, the demand for them. In parallel, the development of cost-effective launch systems provides the access to space for several small and medium-sized companies. In this context, many New Space companies are facing the challenge to rapidly launch and deploy a small and micro satellites constellation. This thesis will present the applications made possible by the advent of new companies and it will introduce the project management approach and the business organisation exploited to design and manufacture their systems. The work points out the different characteristics of these small start-ups with respect to the established companies in the space sector. For these newborn realities, the use of the Agile methodology and the vertical integration business model is fundamental to obtain funding that permits to follow and expand the business. The second part of the work analyses small constellations of microsatellites already in orbit or that will be deployed in the next years, focusing on the strategies and solutions exploited to efficiently launch and deploy the constellations. The choice of the launch vehicle used to accomplish the mission will be analysed as well. An analytical method is then used to model low-thrust trajectories, suitable for the deployment of the microsatellites in a constellation system. The model will be exploited to determine the cost, in terms of propellant mass, and the time of deployment in relation to different constellations and satellites architectures. Two strategies of deployment will be exposed: a single-plane strategy, where the set of satellites is injected directly in the desired orbital plane and a multi-plane strategy. For the modelling of the launch phase, four launch systems are considered, from small launch vehicles as Rocket Lab’s Electron to bigger vectors as SpaceX’s Falcon 9. It will be shown how the choice of the launcher affects the mission budget in terms of costs, fuel mass budget and time of deployment. Results will show the crucial importance of the on board propulsion system and the dimension of the spacecraft itself for a rapid and effective deployment strategy. The limited power of the on-board propulsion on these kinds of systems affects heavily the possibility of a multi-plane deployment strategy, exceeding the on-board fuel capacity on the spacecraft.

Gli ultimi anni hanno visto la nascita di diversi operatori di costellazioni, mossi dalla richiesta di nuovi servizi spaziali. L’uso di piccoli e micro satelliti ha contribuito alla riduzione dei costi di produzione dei satelliti e dei loro servizi, espandendo, allo stesso tempo, la loro richiesta. Parallelamente, lo sviluppo di nuovi ed economici sistemi di lancio permette l’accesso allo spazio a molte piccole e medie imprese. In questo contesto, molte aziende New Space stanno provando a lanciare e dispiegare rapidamente costellazioni di piccoli e micro satelliti. Questa tesi presenta le varie applicazioni rese possibili dall’avvento di questi nuovi attori, introducendo l’approccio alla gestione dei progetti e l’organizzazione aziendale adottati per progettare e produrre i loro sistemi. Saranno evidenziate le differenti caratteristiche di queste piccole start-up rispetto alle aziende già attive nel settore spaziale. L’uso di un approccio Agile e l’integrazione verticale è quindi fondamentale per ottenere nuovi finanziamenti che permettono a queste nuove aziende di continuare ed espandere il loro giro di affari. La seconda parte della tesi analizza le piccole costellazioni di micro satelliti già in orbita o che saranno lanciate in un prossimo futuro, focalizzandosi sulle strategie e soluzioni adottate per lanciare e dispiegare efficacemente l’intera costellazione. La scelta del vettore di lancio usato per completare la missione avrà uguale importanza in questa analisi. Un metodo analitico sarà quindi usato per modellare le traiettorie a bassa spinta, essendo il più adatto per il dispiegamento di microsatelliti in una costellazione. Il modello sarà usato per determinare il costo, in termini di massa di propellente, e il tempo di dispiegamento in relazione a diverse architetture di costellazione e satelliti. Saranno esposte due strategie di dispiegamento: una strategia a singolo piano, dove il set di satelliti viene inserito direttamente nel piano orbitale voluto, e una strategia multi-piano. Quattro sistemi di lancio verranno considerati per la modellazione della fase di lancio della costellazione, dal piccolo lanciatore Electron dell’azienda Rocket Lab, a sistemi più grandi come il Falcon 9 della SpaceX. Verrà mostrato quindi come la scelta del lanciatore influisca sulla missione, in termini di costi, massa di propellente necessaria e durata del dispiegamento. I risultati dell’analisi mostreranno l’importanza della scelta del sistema di propulsione del satellite e delle sue dimensioni per un dispiegamento rapido e efficiente. Infatti, la limitata potenza del sistema propulsivo dei micro satelliti influisce notevolmente sulla possibilità di un dispiegamento multi-piano, andando ad eccedere la capacità massima di propellente a bordo del satellite.