On-orbit refueling: economic sustainability analysis and development of a sleeve driven by a SMA rotary actuator

In the recent years, on-orbit servicing has assumed a relevant position within the space industry, with on-orbit refueling expected to be the next breakthrough in this sector. The service not only enhances the performance and lifespan of satellites and interplanetary vehicles, but also leads to deeper space exploration and development of space-based infrastructures. The most significant concern about on-orbit refueling is related to its economic advantage with respect to traditional satellite designs. Additionally, robotics and relative guidance subsystems of the servicing vehicle presents important technological challenges. The present study firstly aims at defining the operational boundaries within which on-orbit servicing is economically sustainable, without any public funding. Through a survey, delivered to several Italian industries thanks to ASI, the latest data are employed in an economic analysis focused on the refueling of medium-large satellites belonging to large LEO constellations. Under different operational conditions it is demonstrated that both the servicer and the client take economic advantage from on-orbit refueling of multiple satellites with a discrete negotiation margin. The technical aspect of the service is the main objective of the second part of this study. A proof of concept of a SMA rotary actuator is developed and investigated to be employed in the retraction of a sleeve intended for refueling. An analytical model that predicts the actuator behaviour is compared with experimental results, highlighting the huge potentialities of this concept. A demonstrator is then produced to definitely validate the capacities of the rotary actuator. The refueling tube is accurately designed through thermo-mechanical simulations and fluid dynamics equations of the propellant, in order to define the performances required by the actuator. Defined the retraction mechanism, an upscaling of the SMA element is introduced to be further investigated in following experimental tests.

Negli ultimi anni, l'assistenza in orbita ha assunto un ruolo rilevante nell'industria spaziale, con il rifornimento orbitale che sta attirando particolare attenzione nel settore. Il servizio di rifornimento non solo incrementa le prestazioni e la durata di vita dei satelliti in orbita terrestre, ma apre alla possibilità di un maggior numero di missioni verso lo spazio profondo e di sviluppare delle infrastrutture spaziali. Il vantaggio economico che un'operazione di rifornimento porterebbe rispetto ad un approccio tradizionale alle missioni spaziali rappresenta uno dei punti critici del servizio. Inoltre, sono presenti molteplici difficoltà tecniche, soprattutto nei sottosistemi di robotica e navigazione relativa. Lo studio corrente mira, in primo luogo, a definire i limiti operativi entro cui il rifornimento in orbita è economicamente sostenibile senza l'ausilio di alcun finanziamento. Attraverso un questionario, sottoposto a diverse aziende italiane grazie al contributo di ASI, sono stati ricavati i dati finanziari più recenti. Da questi è stata sviluppata un'analisi economica centrata sul rifornimento orbitale di satelliti medio-larghi facenti parte delle grandi costellazioni LEO in via di sviluppo. Si è quindi dimostrato che sia il cliente che il fornitore del servizio otterrebbero un vantaggio economico dal rifornimento in orbita con un discreto margine di contrattazione tra le parti. Successivamente, lo studio dell'aspetto tecnico del servizio è preso in considerazione. Il fulcro dell'analisi è la dimostrazione di fattibilità di un attuatore rotativo in materiale a memoria di forma con lo scopo di ritrarre il manicotto utilizzato per il rifornimento. Un modello analitico che ne predica il comportamento è confrontato con i test sperimentali svolti, dimostrando le grandi potenzialità del prototipo in SMA. A questo punto un dimostratore è stato sviluppato per validare quantitativamente le capacità dell'attuatore rotativo. Per calcolare le forze e lo spostamento nell'applicazione reale, il manicotto è stato modellato a partire da simulazioni termo-meccaniche ed equazioni fluidodinamiche del propellente. Una volta poi definito il meccanismo di retrazione e la relativa catena cinematica, è stato possibile effettuare un ridimensionamento dell'elemento in SMA.