This thesis addresses the challenge of spacecraft collision avoidance in an increasingly congested orbital environment. The growing presence of space debris demands agile and efficient propulsion solutions to ensure operational safety and sustainability. In this context, integrating multiple propulsion technologies emerges as a promising strategy to improve spacecraft maneuver responsiveness and efficiency. Recent advancements have explored hybrid and multi-mode architectures to balance the trade-offs between high-thrust chemical systems and efficient low-thrust electric thrusters. However, many solutions are limited by propellant incompatibility, system complexity, or insufficient adaptability to collision scenarios. To overcome these limitations, this work proposes a novel multi-mode propulsion system based on water electrolysis, combining a selected chemical thruster with the Superconductor- Based Readiness Enhanced Magnetoplasmadynamic Electric Propulsion (SUPREME) thruster—an Applied Field Magnetoplasmadynamic Thruster (AF-MPDT). Water is used as the sole propellant, enabling subsystem compatibility. The proposed architecture aims to enhance agility and efficiency in Collision Avoidance Maneuver (CAM)s across a wide range of orbital regimes, from Low Earth Orbit (LEO) to Geostationary orbit (GEO). The thesis details the integrated architecture, including mass, volume, and power budgets. Particular focus is placed on the design of a hydrogen-fed hollow cathode for the SUPREME thruster, supported by a coupled plasma-thermal model developed in MATLAB and COMSOL. Finally, A multi-mode optimization framework is introduced, combining high- and low-thrust strategies for Fuel-Optimal (FO) collision avoidance. Simulation results show a significant reduction in propellant consumption and improved operational flexibility compared to single-mode approaches, confirming the viability of the proposed architecture for agile and sustainable space operations.

Questa tesi affronta la sfida delle manovre di anti-collisione dei veicoli spaziali in un ambiente orbitale sempre più congestionato. L’aumento dei detriti spaziali richiede soluzioni propulsive agili ed efficienti, in grado di garantire la sicurezza operativa e la sostenibilità delle missioni. In questo contesto, l’integrazione di tecnologie propulsive eterogenee rappresenta una strategia promettente per migliorare la reattività e l’efficienza delle manovre. I recenti sviluppi nel settore hanno esplorato architetture ibride e multi-modali, volte a bilanciare i compromessi tra sistemi chimici ad alta spinta e propulsori elettrici a bassa spinta ma ad alta efficienza. Tuttavia, molte di queste soluzioni risultano limitate da incompatibilità di propellente, elevata complessità del sistema o scarsa adattabilità a scenari dinamici di collisione. Per superare tali limitazioni, questa tesi propone un innovativo sistema di propulsione multi-modale basato sull’elettrolisi dell’acqua, che combina un propulsore chimico con SUPREME, un Propulsore Magnetoplasmodinamico a Campo Applicato (AF-MPDT). L’acqua è utilizzata come unico propellente, garantendo la compatibilità tra i sottosistemi e semplificando l’architettura complessiva. Il sistema è progettato per operare efficacemente su un ampio spettro di orbite, dalla LEO alla GEO. Il lavoro descrive l’architettura integrata del sistema, includendo stime dettagliate di massa, volume e potenza. Particolare attenzione è rivolta alla progettazione di un catodo a idrogeno per il propulsore SUPREME, supportata da un modello termo-plasma sviluppato in MATLAB e COMSOL. Infine, viene introdotto un framework di ottimizzazione multi-modale, che combina strategie a spinta elevata e ridotta per manovre di anti-collisione ottimali in termini di consumo di propellente (fuel-optimal). I risultati delle simulazioni evidenziano una riduzione significativa del consumo di propellente e una maggiore flessibilità rispetto agli approcci a spinta singola, confermando la validità dell’architettura proposta per operazioni spaziali agili e sostenibili.

Multi-mode SUPREME electrolysis propulsion for agile collision avoidance

Torre, Federico
2024/2025

Abstract

This thesis addresses the challenge of spacecraft collision avoidance in an increasingly congested orbital environment. The growing presence of space debris demands agile and efficient propulsion solutions to ensure operational safety and sustainability. In this context, integrating multiple propulsion technologies emerges as a promising strategy to improve spacecraft maneuver responsiveness and efficiency. Recent advancements have explored hybrid and multi-mode architectures to balance the trade-offs between high-thrust chemical systems and efficient low-thrust electric thrusters. However, many solutions are limited by propellant incompatibility, system complexity, or insufficient adaptability to collision scenarios. To overcome these limitations, this work proposes a novel multi-mode propulsion system based on water electrolysis, combining a selected chemical thruster with the Superconductor- Based Readiness Enhanced Magnetoplasmadynamic Electric Propulsion (SUPREME) thruster—an Applied Field Magnetoplasmadynamic Thruster (AF-MPDT). Water is used as the sole propellant, enabling subsystem compatibility. The proposed architecture aims to enhance agility and efficiency in Collision Avoidance Maneuver (CAM)s across a wide range of orbital regimes, from Low Earth Orbit (LEO) to Geostationary orbit (GEO). The thesis details the integrated architecture, including mass, volume, and power budgets. Particular focus is placed on the design of a hydrogen-fed hollow cathode for the SUPREME thruster, supported by a coupled plasma-thermal model developed in MATLAB and COMSOL. Finally, A multi-mode optimization framework is introduced, combining high- and low-thrust strategies for Fuel-Optimal (FO) collision avoidance. Simulation results show a significant reduction in propellant consumption and improved operational flexibility compared to single-mode approaches, confirming the viability of the proposed architecture for agile and sustainable space operations.
BECATTI , GIULIA
BETANCOURT, MANUEL
DE VITTORI, ANDREA
HERDRICH, GEORG
WINTER , MICHEAL
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
22-lug-2025
2024/2025
Questa tesi affronta la sfida delle manovre di anti-collisione dei veicoli spaziali in un ambiente orbitale sempre più congestionato. L’aumento dei detriti spaziali richiede soluzioni propulsive agili ed efficienti, in grado di garantire la sicurezza operativa e la sostenibilità delle missioni. In questo contesto, l’integrazione di tecnologie propulsive eterogenee rappresenta una strategia promettente per migliorare la reattività e l’efficienza delle manovre. I recenti sviluppi nel settore hanno esplorato architetture ibride e multi-modali, volte a bilanciare i compromessi tra sistemi chimici ad alta spinta e propulsori elettrici a bassa spinta ma ad alta efficienza. Tuttavia, molte di queste soluzioni risultano limitate da incompatibilità di propellente, elevata complessità del sistema o scarsa adattabilità a scenari dinamici di collisione. Per superare tali limitazioni, questa tesi propone un innovativo sistema di propulsione multi-modale basato sull’elettrolisi dell’acqua, che combina un propulsore chimico con SUPREME, un Propulsore Magnetoplasmodinamico a Campo Applicato (AF-MPDT). L’acqua è utilizzata come unico propellente, garantendo la compatibilità tra i sottosistemi e semplificando l’architettura complessiva. Il sistema è progettato per operare efficacemente su un ampio spettro di orbite, dalla LEO alla GEO. Il lavoro descrive l’architettura integrata del sistema, includendo stime dettagliate di massa, volume e potenza. Particolare attenzione è rivolta alla progettazione di un catodo a idrogeno per il propulsore SUPREME, supportata da un modello termo-plasma sviluppato in MATLAB e COMSOL. Infine, viene introdotto un framework di ottimizzazione multi-modale, che combina strategie a spinta elevata e ridotta per manovre di anti-collisione ottimali in termini di consumo di propellente (fuel-optimal). I risultati delle simulazioni evidenziano una riduzione significativa del consumo di propellente e una maggiore flessibilità rispetto agli approcci a spinta singola, confermando la validità dell’architettura proposta per operazioni spaziali agili e sostenibili.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/239498