Feasibility study of a new hybrid autophage engine for lunar space mission and comparison with traditional bi-propellant solution

In recent years, the renewed global interest in lunar exploration has generated the need for transportation systems capable of supporting future infrastructures around and on the Moon. Ensuring the rapid and efficient transfer of payloads, supplies, and services between the Earth and the Moon is one of the main challenges of upcoming missions. This thesis presents a preliminary design study aimed at evaluating the feasibility of an autophage hybrid propulsion system, named Opal and developed by Alpha Impulsion, for a transfer between a 500 km Low Earth Orbit and a 100 km Low Lunar Orbit. The analysis includes a detailed comparison with a conventional bi-propellant system to highlight the advantages, limitations, and overall design impact of the two propulsion technologies. Two complete spacecraft configurations were designed in a preliminary analysis, with all subsystems sized and integrated according to the respective propulsion architectures. The comparison focused mainly on mass distribution and power demand. Results show that the Opal-based system achieves a significant dry mass reduction, approximately 47.6% lower than the bi-propellant configuration, due to its tankless design and simplified structural arrangement. The study demonstrates that the autophage hybrid propulsion represents a promising solution for future lunar missions, particularly for transporting small satellites and CubeSats around the Moon, offering potential benefits in terms of mass efficiency, system integration, and mission flexibility.

Negli ultimi anni, il rinnovato interesse globale per l’esplorazione lunare ha evidenziato la necessità di sistemi di trasporto capaci di supportare le future infrastrutture intorno e sulla superficie della Luna. Garantire un trasferimento rapido ed efficiente di carichi utili, rifornimenti e servizi tra la Terra e la Luna rappresenta una delle principali sfide delle missioni spaziali della prossima generazione. Il lavoro descritto in questa tesi propone una progettazione preliminare volta a valutare la fattibilità di un sistema di propulsione ibrido autofago, denominato Opal e sviluppato da Alpha Impulsion, per un trasferimento orbitale tra una Low Earth Orbit a 500 km e una Low Lunar Orbit a 100 km. L’analisi include, inoltre, un confronto dettagliato con un convenzionale sistema di propulsione bi-propellente, al fine di evidenziare vantaggi, limitazioni e impatti complessivi delle due tecnologie sul design del satellite. Due diverse configurazioni di satellite, una montante Opal e una con il tradizionale sistema bi-propellente, sono state progettate e analizzate, con tutti i sottosistemi dimensionati e integrati in base alla specifica architettura propulsiva. Il confronto si è concentrato principalmente sulle masse e sulla richiesta di potenza dei diversi sottosistemi. I risultati mostrano che il satellite con Opal consente una riduzione significativa della massa, pari al 47.6% rispetto alla configurazione con il motore bi-propellente. Questo è dovuto all’assenza dei serbatoi e alla semplificazione e riduzione della struttura. Questo studio dimostra che la propulsione ibrida autofaga rappresenta una soluzione promettente per le future missioni lunari, in particolare per il trasporto di piccoli satelliti e CubeSat attorno alla Luna, offrendo vantaggi in termini di efficienza di massa, integrazione dei sottosistemi e flessibilità di missione.