Vortex Flow Pancake (VFP) hybrid propulsion system for de-orbiting and traffic avoidance maneuvers

The increasing number of inactive satellites and debris in orbit poses a serious issue for accessibility to space for future generations and for on-going missions. Because of this, it is of paramount importance to develop reliable, affordable, and easy to integrate de-orbiting and traffic avoidance systems. This thesis work focuses on the investigation of employing a hybrid propulsion unit with an unconventional geometry called Vortex Flow Pancake using HTPB as fuel and HTP98% as oxidizer for in-space traffic avoidance, station keeping, and de-orbiting maneuvers. This configuration is particularly interesting because it allows to have a compact system which is less complex (and thus, more reliable and more affordable) when compared to traditional bi-propellant liquid systems. In the first two sections, a literature survey concerning the main aspects of hybrid engine technology and the fuel/oxidizer couple employed in the study case is reported. The survey also contains a section reporting the main methods to improve combustion efficiency and regression rate in hybrids, among which the VFP is presented. This architecture is characterized by having the oxidizer injected tangentially between two disks of propellants, thus allowing a particularly compact system. The sizing of the system is performed for different classes of weight of satellites. All the major components of the system are either sized or their mass is estimated through statistical data. A preliminary sizing of a liquid bi-propellant engine is carried out for the same values of mass and thrust in order to compare total mass and length of the two systems and assess if and when the VFP is more convenient than the liquid counterpart. The vortex flow pancake proves to be a valid solution especially for the smaller masses of satellites, allowing a system which at first estimation has a mass comparable to the one of a classic bi-propellant unit while being more affordable, more reliable and more compact.

L’aumento del numero di satelliti inattivi e di detriti in orbita rappresenta un problema per l’accesso allo spazio delle future generazioni e per le missioni in corso. Per questo motivo, è di fondamentale importanza sviluppare sistemi di de-orbiting affidabili, economici e facili da integrare. Questo lavoro di tesi si concentra sulla possibilità di adottare un sistema propulsivo ibrido con una geometria non convenzionale chiamata Vortex Flow Pancake, utilizzando HTPB come combustibile e HTP98% come ossidante, per manovre di traffic avoidance, station keeping e de-orbiting. Questa configurazione risulta particolarmente interessante in quanto permette di ottenere un sistema compatto, meno complesso (e quindi più affidabile ed economico) rispetto ai tradizionali sistemi liquidi. Nelle prime due sezioni viene riportata una literature review sui principali aspetti della tecnologia ibrida e sulla coppia combustibile/ossidante impiegata nel caso di studio. Inoltre, l’analisi include una sezione dedicata ai principali metodi per migliorare l’efficienza della combustione e il regression rate nei motori ibridi, tra cui viene presentato il VFP. Questa architettura dal fatto che l'ossidante viene iniettato tangenzialmente tra due dischi di propellente, consentendo così di ottenere un sistema particolarmente compatto. Il sizing del sistema viene effettuato per diverse classi di peso dei satelliti. Tutti i principali elementi del sistema vengono dimensionati oppure il loro peso viene stimato attraverso dati statistici. Per effettuare un confronto, viene inoltre eseguito un dimensionamento preliminare di un motore a bi-propellente liquido con gli stessi valori di massa e spinta, in modo da confrontare massa totale e lunghezza dei due sistemi e valutare se e quando il VFP risulti più conveniente rispetto alla controparte liquida. Il Vortex Flow Pancake si dimostra una soluzione valida, soprattutto per le classi di satelliti più piccoli, consentendo un sistema che, secondo le prime stime, ha una massa comparabile a quella di un’unità classica a bi-propellente, risultando però più economico, più affidabile e più compatto.