Refueling solution for a self-pressurized satellite

New-Space trend of satellites miniaturization and their fast production are generating two cascading effects on the systems currently developed by leading space sector players: on one side there is a growing interest on services offered in orbit, on the other hand there is an increased attention on the resolution of ground operations issues. In particular, the space propulsion revolution tends to progressively convert toxic propellants into green safe-handling alternatives and, in parallel, carries on the research on self-pressurized technologies that improve system performances through the reduction of volumes. The present thesis, developed in collaboration with D-Orbit SPA, is a step forward respect to the research on the modeling and on-ground testing of self-pressurized liquid Nitrous Oxide. The analysis starts with a review of Green Propellants state-of-the-art with a detailed focus on the hydrazine ban status in Europe and USA. The research addresses three main fields of study: mass flow rate, modeling of boiling phenomenon and design of the REfueling Conceptual Solution that serves as the first experiment to test in-orbit self-pressurizing propellant for refueling applications. The aim of the proposed mass flow rate model is separating the problem related to the discharge of a two-phase fluid from the assumption of the drained phase in microgravity. The proposal has been validated by data retrieved from an experimental campaign performed within the host company and it is also worth as validity cross-check of the FML mass flow rate model. Afterwards, a new boiling model directly implemented into the FML it is proposed. One of the objectives of the analysis is the prediction of the recovery in experimental pressure traces by keeping the research strongly anchored to the physical description of the problem and by trying to minimize the impact of empirical parameters. The experimental sets of data available in literature have been used to evaluate the accuracy of the proposed model which shows an error lower than 10%. The conclusion of the study led to the preliminary design of the REfueling Conceptual Solution experiment, that aims to validate the FML self-pressurization and mass flow rate models in orbit. The set-up is planned to be integrated into ION Satellite, D-Orbit proprietary spacecraft and it will fly in one of the next missions, planned between Q3 2023 and Q1 2024.

L'attuale trend di miniaturizzazione dei satelliti e la loro rapida produzione sta generando due effetti a cascata sui sistemi sviluppati dai principali attori del settore spaziale: da un lato si nota un crescente interesse nei servizi in orbita, dall'altro vi è una maggiore attenzione alla risoluzione dei problemi operativi a terra. In particolare, la rivoluzione della propulsione spaziale tenta di convertire progressivamente i propellenti tossici in alternative verdi e di impiego sicuro e, in parallelo, porta avanti la ricerca su tecnologie di autopressurizzazione che migliorano le prestazioni del sistema riducendo i volumi. La presente tesi, sviluppata in collaborazione con D-Orbit SPA, rappresenta un passo avanti rispetto alla modellazione e test a terra di protossido di azoto liquido autopressurizzato. L'analisi parte da una revisione circa lo stato dell'arte dei propellenti verdi, con un focus dettagliato sullo stato di divieto dell'idrazina in Europa e USA. La ricerca affronta tre principali aspetti: portata massica, modellazione del fenomeno di ebollizione e progettazione di una soluzione sperimentale volta a testare propellente autopressurizzante in orbita per applicazioni di rifornimento. Lo scopo del modello di portata massica è quello di separare il problema relativo allo scarico di un fluido bifase dall'assunzione della fase scaricata in microgravità. La proposta è stata validata dai dati ottenuti dalla campagna sperimentale effettuata presso l'azienda ospitante ed è valsa anche come controllo incrociato di validità del modello di portata FML. Successivamente, è stato proposto un nuovo modello di ebollizione che è stato implementato all'interno del FML. Uno degli obiettivi è la previsione del recupero nella traccia sperimentale di pressione mantenendo l'analisi fortemente ancorata alla descrizione fisica del problema e andando a minimizzare l'impatto dei termini empirici. I dati sperimentali presenti in letteratura sono stati utilizzati per valutare l'accuratezza del modello proposto, il quale mostra un'errore inferiore al 10%. La conclusione dello studio ha portato alla progettazione preliminare della soluzione sperimentale di rifornimento, che mira a validare i modelli FML di autopressurizzazione e portata massica in orbita. L'apparato sarà integrato all'interno di ION, satellite di proprietà di D-Orbit che volerà in una prossima missione, tra Q3 2023 e Q1 2024.