Feasibility study and preliminary design of a dual propellant motor

This thesis work focuses on the preliminary design of a dual propellant engine, namely the fluidic and structural development of a hydrogen peroxide monopropellant engine pressurized by the propellant of a cold gas motor. These two types of propulsion systems have been already deeply studied and developed; the challenge is now to merge them into an unique and compact solution compatible with the CubeSats market, whose predictions foresees a significant growth due to its wide applicability, cost-effectiveness and recent developments. A first feasibility study about possible propellants and related configurations is followed by the preliminary schematization of the fluidic envelope and the consequent selection of the commercial of-the-shelf items that fit the pressure and volumetric requirements imposed by the mission's contractor. The envisaged preliminary model is furtherly validated by a pressure drop analysis the propellants suffer across the system's fluidic elements. This preliminary design phase is simultaneously accompanied by the computer-aided design of the engine's envelope, where, obviously, the main challenges reside in the volumetric and spatial optimization and in the achievement of an easy-to-assemble product. This work proposes a preliminary study for a new possible CubeSat propulsion architecture and sets the stage for a successive detailed design, where each single subsystem and sub-assembly shall be further investigated and tested. The outcome of this analysis makes this dual propellant engine a compact promising solution for the proximity and de-orbiting operations which will feature the broad class of CubeSats mission expected in the coming decades.

Questo lavoro di tesi si focalizza sul design preliminare di un motore "dual propellant", ovvero lo sviluppo della linea fluidica e della struttura di un motore monopropellente alimentato a perossido di idrogeno e pressurizzato mediante il propellente di un propulsore a gas freddo. Queste due tecnologie sono già state approfonditamente studiate e sviluppate; ora la sfida risiede nella fusione di queste architetture propulsive in una soluzione unica, compatta e compatibile con quello che è chiamato "mercato dei CubeSats", le cui previsioni vedono una significativa crescita dovuta alla sua enorme applicabilità, alla sua economicità e ai suoi recenti sviluppi. Ad un primo studio di fattibilità circa i possibili propellenti e le relative configurazioni, segue uno schema preliminare dello sviluppo fluidico e la conseguente scelta dei prodotti commerciali che rispettino i requisiti di pressione e volume imposti dal contraente della missione. Il modello implementato è inoltre validato mediante un'analisi delle perdite di carico subite dai propellenti nel loro percorso attraverso gli elementi fluidici. La definizione della linea fluidica è simulataneamente accompagnata dal progetto CAD dell'inviluppo del propulsore, nel quale, ovviamente, le sfide maggiori risiedono nell'ottimizzazione degli spazi e dei volumi e nella realizzazione di un prodotto facile da assemblare. Questo lavoro propone principalmente uno studio preliminare di una nuova possibile architettura propulsiva per CubeSat e mette le basi per un successivo progetto di dettaglio, nel quale ciascun singolo sottosistema e sottoassieme deve essere ulteriormente investigato e testato. Il risultato di questa analisi rende questo motore "dual propellant" una soluzione compatta e promettente per lo svolgimento delle operazioni di prossimità e deorbitazione che caratterizzeranno l'ampia gamma di missioni per CubeSats prevista nei prossimi decenni.