Conceptual design, system and performance analysis of a water electrolysis propulsion system for CubeSats

In recent years the spread of CubeSats has considerably increased, thanks to their compact size, versatility, and cost-effectiveness. However, most CubeSats lack a primary onboard propulsion system, due to the exiguity of available solutions and the limitations of current micropropulsion technologies. In addition, some of the traditional rocket fuels, like hydrazine, are highly toxic and carcinogenic; therefore, their replacement has to be considered. Water represents a promising green propellant for space propulsion, owing to its inherent safety, low cost, and easy availability, allowing for environmental-friendly operations both on ground and in space. Furthermore, water can be split into hydrogen and oxygen using electric power, producing a propellant couple capable of providing a theoretical specific impulse of up to 450 s. The present work focuses on the conceptual design of a water electrolysis propulsion (WEP) system for a 6U CubeSat in a Sun-synchronous orbit at a nominal altitude of 400 km, whose primary objective is to compensate for the orbital decay due to the atmospheric drag. The proposed WEP system uses a nitrogen-pressurized feed system to supply liquid water to a PEM electrolyzer, generating gaseous oxygen and hydrogen that are stored in separate high-pressure tanks. Whenever the CubeSat decays to the minimum threshold of 399 km altitude, the gas tanks are emptied with a blowdown process and the gases are combusted and then accelerated through a supersonic nozzle, providing small orbit raising maneuvers to reach again the nominal orbital altitude. A preliminary sizing of the main subsystems has been performed, namely, the thrust chamber, the electrolyzer and the tanks, determining their design parameters and evaluating their performance levels. Within this framework, a steady-state heat transfer analysis of the thrust chamber has been conducted, the throttling process of the hydrogen and oxygen gases through their respective orifices has been analyzed, and the mission lifetime extension capabilities offered by the WEP system have been assessed.

Negli ultimi anni la diffusione dei CubeSat è notevolmente aumentata, per merito delle loro dimensioni compatte, versatilità ed economicità. Tuttavia, la maggior parte dei CubeSat non dispone di un sistema di propulsione primario a bordo, a causa dell’esiguità delle soluzioni disponibili e dei limiti delle attuali tecnologie di micropropulsione. Inoltre, alcuni dei tipici propellenti per motori a razzo, come l’idrazina, sono altamente tossici e cancerogeni, pertanto, ne va considerata la sostituzione. L’acqua rappresenta un promettente propellente verde per la propulsione spaziale, grazie alla sua sicurezza intrinseca, al basso costo e alla facile reperibilità, consentendo operazioni rispettose per l’ambiente sia a terra che nello spazio. In aggiunta, l’acqua può essere scissa in idrogeno e ossigeno utilizzando energia elettrica, ottenendo una combinazione di propellenti in grado di fornire, idealmente, un impulso specifico fino a 450 s. Il presente lavoro si concentra sulla progettazione concettuale di un sistema di propulsione ad elettrolisi dell’acqua per un CubeSat 6U in orbita eliosincrona ad un’altitudine di 400 km, il cui obiettivo principale consiste nel compensare il decadimento orbitale dovuto alla resistenza aerodinamica dell’atmosfera terrestre. Il sistema propulsivo proposto utilizza un sistema di alimentazione pressurizzato con azoto per fornire acqua liquida ad un elettrolizzatore PEM, generando ossigeno e idrogeno gassosi che vengono immagazzinati ad alta pressione in serbatoi separati. Ogni qualvolta il CubeSat raggiunge la soglia di altitudine minima pari a 399 km, i serbatoi di gas si svuotano con un processo di blowdown e i gas vengono bruciati e successivamente accelerati attraverso un ugello supersonico, eseguendo piccole manovre orbitali al fine di rialzare nuovamente l’altitudine dell’orbita al livello nominale. È stato realizzato un dimensionamento preliminare dei principali sottosistemi, ovvero la camera di propulsione, l’elettrolizzatore ed i serbatoi, determinandone i parametri di progetto e stimandone le prestazioni. In questo contesto, è stata condotta un’analisi del trasferimento di calore in stato stazionario della camera di propulsione, è stato analizzato il processo di throttling dei gas idrogeno e ossigeno attraverso i rispettivi orifizi e sono state valutate le capacità di estensione della durata della missione ottenute dal sistema propulsivo.