The RECS experiment: in-orbit validation of predictive models for self-pressurizing propellant feed systems

A growing trend in the space industry to replace hydrazine and its associated health and operational hazards has driven a search for alternative propellants in spacecraft propulsion. Among the most promising candidates is nitrous oxide (N₂O), which demonstrates a combination of different operational advantages, including self-pressurization due to its high vapor pressure. This property is considered attractive because it eliminates the need for external pressurization systems, resulting in weight savings and system simplicity. However, the two-phase state of the fluid in the tank introduces substantial complexity in performance prediction, as flashing occurs in both the tanks and feed lines, an issue further complicated by the effects of microgravity on phase change. The RECS payload, launched aboard the ION-mk02 satellite carrier as a joint effort by the Space Propulsion Laboratory at Politecnico di Milano and D-Orbit, is a pioneering experiment aimed to tackle those modeling challenges and serve as an in-orbit demonstrator for satellite refueling technologies using high vapor pressure propellants. This thesis, developed in collaboration with the host company D-Orbit, presents a comprehensive overview of modeling strategies for two-phase flow rate estimation and tank self-pressurization behavior. Unlike previous studies, particular emphasis is placed on feed line characterization and the influence of reduced gravity with respect to an on-ground baseline. Model predictions are subsequently compared to the data retrieved from the in-orbit experimental campaign, which underwent post-processing and parameter estimation. The results demonstrate that microgravity plays a substantial role in the system behavior, particularly regarding the phase composition of the drained fluid and the rate of flashing in the tank. A method is proposed to account for the reduced gravity effect on self-pressurization in low levels of superheat. The overall modeling framework predicts both mass flow rates and tank depressurization rates with good accuracy, provided basic underlying assumptions are respected.

La tendenza crescente nell'industria spaziale a sostituire l’idrazina, a causa dei rischi per la salute e delle criticità operative ad essa associati, ha stimolato la ricerca di propellenti alternativi per i sistemi di propulsione spaziale. Tra i candidati più promettenti figura il protossido di azoto (N₂O), che presenta una combinazione di diversi vantaggi operativi, tra cui l'autopressurizzazione dovuta alla sua elevata pressione di vapore. Questa proprietà è considerata vantaggiosa perché elimina la necessità di sistemi di pressurizzazione esterni, favorendo il risparmio di massa e la semplicità del sistema. Tuttavia, lo stato bifase del fluido nel serbatoio introduce una complessità sostanziale nella previsione dell suo comportamento, poiché si verifica flashing sia nei serbatoi che nelle linee di alimentazione, un problema ulteriormente complicato dagli effetti della microgravità sulla transizione di fase. Il payload RECS, lanciato a bordo del satellite ION-mk02 grazie a una collaborazione tra il Laboratorio di Propulsione Spaziale del Politecnico di Milano e l'azienda D-Orbit, è un esperimento volto ad affrontare tali sfide di modellazione e a fungere da dimostratore in orbita per le tecnologie di rifornimento dei satelliti che utilizzano propellenti ad alta pressione di vapore. La presente tesi, sviluppata in collaborazione con D-Orbit, presenta una panoramica delle strategie di modellazione per la portata del flusso bifase e il comportamento di autopressurizzazione del serbatoio. A differenza degli studi precedenti, viene data particolare enfasi alla caratterizzazione della linea di alimentazione e all'influenza della gravità ridotta. Le previsioni dei modelli vengono successivamente confrontate con i dati ottenuti dalla campagna sperimentale in orbita, che sono stati sottoposti ad un processo di post-elaborazione e di stima dei parametri. I risultati dimostrano che la microgravità svolge un ruolo sostanziale nel comportamento del sistema, soprattutto per quanto riguarda la composizione di fase del fluido scaricato e la velocità di vaporizzazione nel serbatoio. Viene proposto un metodo per tenere conto dell'effetto della gravità ridotta sull'autopressurizzazione in condizioni di basso surriscaldamento. L'approccio di modellazione complessivo prevede sia le portate massiche che le velocità di depressurizzazione del serbatoio con buona precisione, a condizione che vengano rispettati i presupposti.