A statistical approach to the design analysis of multimode propulsion systems

Multimode propulsion systems, which integrate electric and chemical thrusters using a sharedpropellant, offerauniquecapabilitytoenhancetheflexibilityofin-spacemaneuvers while minimizing total propulsion system mass. In this work, a system-level design analy- sis of multimode thrusters based on a combination of monopropellant and electrothermal arcjet propulsion is presented. The results illustrate how key design parameters evolve with different electric propulsion (EP) usage levels, using both deterministic analysis and stochastic methods via Monte Carlo simulations. Presented results shows that for a 500 kg payload, the total system propulsion mass varies between 500 kg and 1500 kg. The findings suggest that the use of multimode propulsion becomes advantageous only when at least 39% of the total maneuver is performed using electric propulsion. When statisti- cal variability is considered, this threshold increases to approximately 43%. Furthermore, above an EP fraction of 49%,the predictions begin to be affected by increasing uncertainty.

I sistemi di propulsione multimodali, che integrano propulsori elettrici e chimici utilizzando un propellente condiviso, offrono una capacità unica di aumentare la flessibilità delle manovre nello spazio riducendo al minimo la massa complessiva del sistema di propul- sione. In questo lavoro viene presentata un’analisi di progettazione a livello di sistema di propulsori multimodali basati su una combinazione di propulsione a monopropellente e propulsione elettrotermica ad arco (arcjet). I risultati illustrano come i principali parametri di progettazione evolvano al variare del livello di utilizzo della propulsione elettrica, utilizzando sia un’analisi deterministica sia metodi stocastici tramite simulazioni Monte Carlo. I risultati mostrano che, per un carico utile di 500 kg, la massa totale del sistema di propulsione varia tra 500 kg e 1500 kg. Le conclusioni suggeriscono che l’impiego della propulsione multimodale diventa vantaggioso solo quando almeno il 39% della manovra totale viene effettuato utilizzando la propulsione elettrica. Quando si considera la variabilità statistica, questa soglia aumenta approssima- tivamente al 43%. Inoltre, al di sopra di una frazione di propulsione elettrica del 49%, le previsioni iniziano a essere influenzate da un’incertezza crescente.