Investigating and enacting the benefits of modular satellite architectures

The satellite industry is facing increasing pressure: traditional satellite manufacturing, focused on bespoke, mission-specific systems with long development timelines, is now being challenged by an environment characterised by growing satellite demand together with intensifying time- and cost-sensitivity requirements. Small satellites and large constellations are reshaping unit economics, forcing manufacturers to balance efficiency with flexibility while maintaining high reliability. Conventional integral design approaches are increasingly insufficient to address this complex optimisation problem. While a few vertically integrated programs like SpaceX's Starlink have demonstrated large-scale production under exceptional conditions, most manufacturers operate in fragmented supply chains serving diverse customer bases with limited capital for concentrated investment, facing the central puzzle of how to scale production in a time and cost efficient way while retaining necessary design flexibility. Modularity – a design feature of systems composed of discrete, loosely coupled modules with high interdependence within modules and independence between them, that are coordinated through well-defined, standardised interfaces – has proven effective in other high-technology sectors, such as personal computers, automotive, or aircraft. In satellites, modular architectures could potentially reconcile the competing demands of scale, flexibility, and time and cost. Yet adoption has been slow. While engineering literature proposes numerous technically advantageous modular concepts, many remain unrealised in practice, suggesting that non-technical factors shape adoption decisions. What is unclear is whether, to what extent, and under which conditions modular satellite architectures can actually generate benefits for manufacturers, how these benefits materialise in practice, as well as what barriers prevent and what drivers facilitate modularity’s broader adoption. This thesis investigates the benefits of modular satellite architectures and provides guidance for industry actors seeking to enact them. Through exploratory, qualitative research, the study addresses three interrelated research questions: (RQ1) What factors hinder or facilitate the adoption of modular satellite architectures? (RQ2) How can satellite manufacturers generate time and cost benefits at large-scale production using modular architectures? (RQ3) What are the potential evolutionary paths for modular satellite architectures? Primary data were collected through semi-structured interviews and a dedicated workshop, while secondary data were obtained from company brochures, technical reports, white papers, and presentations. Data analysis employed thematic coding following the Gioia method and narrative content synthesis. The core framework of this thesis was used as an analytical lens to interpret the findings coming from all research questions. The findings of RQ1 reveal socio-technical barriers and drivers influencing the adoption of modular satellite architectures, discussing the divergence between theoretical approaches and practical implementation. The findings of RQ2 show how modular architectures can generate tangible time and cost benefits in large-scale satellite production, identifying the architectural choices, enabling conditions, and operational outcomes that allow manufacturers to realise measurable benefits. The findings of RQ3 explore the evolutionary paths of modular architectures, analysing hardware and software decoupling, modularity patterns spreading across projects and firms, and the implications for strategic and managerial decision-making. Together, these questions provide a comprehensive understanding of modularity’s adoption, practical benefit mechanisms, and evolutionary paths in the satellite industry. This thesis reconceptualises modularity as a purpose-driven strategic logic rather than a static design feature, demonstrating that benefits are contingent on which strategic purpose manufacturers pursue and which system-level impacts must transform. It provides systematic empirical characterisation of benefit drivers, magnitudes, variability, and implementation conditions, addressing gaps in modularity literature. For practitioners, the thesis delivers guidance on modularity purpose assessment, program-level business case structuring, cross-functional interpretive alignment, organisational mirroring strategies, strategic supplier partnerships, and evolutionary pathway selection. This thesis provides a systematic managerial analysis of the modularity adoption in satellite architecture, demonstrating that modularity is not a binary technical choice but a contingent strategic capability generating benefits only when comprehensively enacted across interconnected organisational systems.

L’industria satellitare sta affrontando pressioni crescenti: la produzione satellitare tradizionale, incentrata su sistemi su misura e specifici per missione, caratterizzati da lunghi tempi di sviluppo, è oggi messa in discussione da un contesto contraddistinto da una domanda satellitare in aumento e da requisiti sempre più stringenti in termini di tempi e costi. I piccoli satelliti e le grandi costellazioni stanno ridefinendo l’economia unitaria, costringendo i produttori a bilanciare efficienza e flessibilità mantenendo al contempo elevati livelli di affidabilità. Gli approcci convenzionali di progettazione integrale risultano sempre meno adeguati ad affrontare questo complesso problema di ottimizzazione. Sebbene alcuni programmi verticalmente integrati, come Starlink di SpaceX, abbiano dimostrato la possibilità di una produzione su larga scala in condizioni eccezionali, la maggior parte dei produttori opera in catene di fornitura frammentate, al servizio di basi di clienti eterogenee e con capitali limitati per investimenti concentrati, trovandosi di fronte al problema centrale di come scalare la produzione in modo efficiente in termini di tempi e costi senza perdere la necessaria flessibilità progettuale. La modularità – una caratteristica di progettazione di sistemi composti da moduli discreti e debolmente accoppiati, con elevata interdipendenza all’interno dei moduli e indipendenza tra di essi, coordinati tramite interfacce ben definite e standardizzate – si è dimostrata efficace in altri settori ad alta tecnologia, come i personal computer, l’automotive o l’aeronautica. Nel settore satellitare, architetture modulari potrebbero potenzialmente riconciliare le esigenze contrastanti di scala, flessibilità, tempi e costi. Tuttavia, la loro adozione è stata lenta. Sebbene la letteratura ingegneristica proponga numerosi concetti modulari tecnicamente vantaggiosi, molti rimangono non realizzati nella pratica, suggerendo che fattori non tecnici influenzino le decisioni di adozione. Rimane poco chiaro se, in quale misura e a quali condizioni le architetture satellitari modulari possano effettivamente generare benefici per i produttori, come tali benefici si concretizzino nella pratica e quali barriere ne ostacolino o quali fattori ne favoriscano una più ampia diffusione. Questa tesi analizza i benefici delle architetture satellitari modulari e fornisce indicazioni per gli attori industriali che intendono implementarle. Attraverso una ricerca esplorativa di tipo qualitativo, lo studio affronta tre domande di ricerca interrelate: (DR1) Quali fattori ostacolano o facilitano l’adozione di architetture satellitari modulari? (DR2) In che modo i produttori satellitari possono generare benefici in termini di tempi e costi nella produzione su larga scala attraverso architetture modulari? (DR3) Quali sono i potenziali percorsi evolutivi delle architetture satellitari modulari? I dati primari sono stati raccolti tramite interviste semi-strutturate e un workshop dedicato, mentre i dati secondari provengono da brochure aziendali, report tecnici, white paper e presentazioni. L’analisi dei dati ha utilizzato la codifica tematica secondo il Gioia method e una sintesi narrativa dei contenuti. Il framework centrale della tesi è stato impiegato come lente analitica per interpretare i risultati emersi da tutte le domande di ricerca. I risultati della DR1 evidenziano barriere e fattori abilitanti di natura socio-tecnica che influenzano l’adozione di architetture satellitari modulari, discutendo la divergenza tra gli approcci teorici e la loro implementazione pratica. I risultati della DR2 mostrano come le architetture modulari possano generare benefici concreti in termini di tempi e costi nella produzione satellitare su larga scala, identificando le scelte architetturali, le condizioni abilitanti e gli esiti operativi che consentono ai produttori di ottenere benefici misurabili. I risultati della DR3 esplorano i percorsi evolutivi delle architetture modulari, analizzando il disaccoppiamento hardware e software, le modalità con cui i pattern di modularità si diffondono tra progetti e imprese e le implicazioni per il processo decisionale strategico e manageriale. Nel loro insieme, queste domande forniscono una comprensione complessiva dell’adozione della modularità, dei meccanismi pratici di generazione dei benefici e dei suoi percorsi evolutivi nell’industria satellitare. La tesi riconcettualizza la modularità come una logica strategica orientata allo scopo piuttosto che come una caratteristica di progettazione statica, dimostrando che i benefici dipendono dallo scopo strategico perseguito dai produttori e dalle trasformazioni richieste a livello di sistema. Essa fornisce una caratterizzazione empirica sistematica dei driver dei benefici, delle loro magnitudini, variabilità e condizioni di implementazione, colmando lacune nella letteratura sulla modularità. Per i professionisti, la tesi offre indicazioni sulla valutazione dello scopo della modularità, sulla strutturazione del business case a livello di programma, sull’allineamento interpretativo interfunzionale, sulle strategie di mirroring organizzativo, sulle partnership strategiche con i fornitori e sulla selezione dei percorsi evolutivi. La tesi propone un’analisi manageriale sistematica dell’adozione della modularità nell’architettura satellitare, dimostrando che la modularità non è una scelta tecnica binaria, ma una capacità strategica contingente che genera benefici solo quando viene implementata in modo coerente e trasversale nei sistemi organizzativi interconnessi.