Experimental Rocket Propulsion Systems Testing: Design Proposal, Analysis, and Uncertainty Mitigation of a novel Test Facility within CTI Aerospace

This thesis illustrates the comprehensive design and operational framework of a novel test facility aimed at validating experimental propulsion systems, specifically targeting the performance evaluation of CTI Aerospace's innovative PENTH engine technology. A tailored design solution was formulated starting with the functional and performance requirements, incorporating insights and guidelines from extensive literature reviews to enhance the design process. Emphasis has been placed on two major subsystems: the Propellant Management and Feed Subsystem, and the Control, Measurement, and Diagnostics Subsystem. Design architectures are detailed together with expected failure modes and failure mitigation proposals. These architectures are subsequently translated into physical and mathematical models, implemented in MatLab Simulink. The mathematical models have been utilized to compute analytically the expected propagation of uncertainties across the facility subsystems, and compared to the results attained via simulation. A first-order expansion of the observation function was employed to approximate the covariance of the performance parameters; though it did not accurately predict the covariance, the method highlighted the necessity for more advanced performance estimation techniques. To this end, a modified Extended Kalman Filter was successfully integrated into the Simulink simulation. Its utilization significantly improved the estimation confidence, reducing the covariance to a fraction of its unfiltered counterpart and allowing crucial requirements for unit testing to be met. Following this thesis, CTI Aerospace has initiated the acquisition of components to build and implement the solutions described herein for the proposed facility.

La presente tesi illustra il design e il quadro operativo di un nuovo impianto di prova mirato alla validazione di sistemi di propulsione sperimentali, con un focus specifico sulla valutazione delle prestazioni della tecnologia innovativa del motore PENTH di CTI Aerospace. Partendo dai requisiti funzionali e prestazionali è stata formulata una soluzione di design su misura, incorporando linee guida e approfondimenti tratti da ricerche bibliografiche al fine di migliorare il processo di progettazione. Vengono enfatizzati due sottosistemi principali: il Sottosistema di Gestione e Alimentazione del Propellente e il Sottosistema di Controllo, Misura e Diagnostica. Le architetture di design sono dettagliate insieme alle modalità di guasto previste e alle proposte di mitigazione dei guasti. Queste architetture sono successivamente tradotte in modelli fisici e matematici, implementati in MatLab Simulink. I modelli matematici sono stati utilizzati per calcolare analiticamente la propagazione delle incertezze attraverso i sottosistemi dell'impianto, e confrontati con i risultati ottenuti tramite simulazione. È stata impiegata un'espansione di primo ordine della funzione di osservazione per approssimare la covarianza dei parametri prestazionali; sebbene non abbia previsto accuratamente la covarianza, il metodo ha comunque evidenziato la necessità di tecniche di stima delle prestazioni più avanzate. A tal fine, una versione modificata di un Filtro di Kalman Esteso è stato integrato con successo nella simulazione Simulink. Il suo utilizzo migliora significativamente l'affidabilità nella stima, riducendo la covarianza ad una frazione della sua controparte non filtrata e permettendo di soddisfare i requisiti cruciali per i test dell'unità. A seguito di questa tesi, CTI Aerospace ha avviato l'acquisizione dei componenti per costruire e implementare le soluzioni descritte nel presente documento per l'impianto proposto.