Gasification system for deorbit : development of an analytical model

Since human space activities began, debris generated by these activities started to accumulate orbiting around Earth. During the first 30 years, this situation was ignored, leading to a situation with hundreds of thousands dangerous pieces in orbit. At present, main space agencies and societies have started to highly concern about looking for means to reduce the amount of debris in the LEO and GEO orbits (remediation techniques, as we will see in chapter 3), as well as trying to find means to avoid the generation of new debris from future launches (remediation techniques). This thesis will present the solution under study at Omsk State Technical University, to deorbit separating parts in an autonomous way. The procedure will use the residual energy, under the form of unused propellant on tanks. These propellant that remains after a Space Launching Vehicle places its load, will be gasified by means of feeding hot gases to the propellant tanks. These hot gases will be provided by a gas generator (solid, liquid or hybrid). As a result, gasified propellants will be used in a vortex gas engine to develop the thrust needed to deorbit the upper stage in a safe way back to Earth. Among all the parts involved in this research, this thesis will focus in the development of an analytical model for the gasification processes inside the tank, and the extraction of results using numerical calculations (by its implementation into MATLAB®) , as well as the analysis of these results and future perspectives of the investigation.

Da che le attività spaziali umani cominciarono, space debris generati da queste attività ha iniziato ad accumularsi in orbita attorno alla Terra. Durante i primi 30 anni, questa situazione è stato ignorata, portando ad una situazione con centinaia di migliaia di pezzi pericolose in orbita. Attualmente, i principali agenzie spaziali hanno iniziato a preoccupasi sulla ricerca di mezzi per ridurre la quantità di debris nelle orbite LEO e GEO (techniche di remediation, come vedremo nel capitolo 3), oltre a cercare di trovare i mezzi per evitare la generazione di nuovi debris dei lanci futuri (tecniche di mitigazione). Questa tesi presenta la soluzione sotto studio presso l’ Omsk State Technical University, per deorbitare le parti separate in un modo autonomo. La procedura utilizza l'energia residua, sotto forma di propellente inutilizzato su serbatoi. Questo propellente che rimane dopo che un veicolo spaziale lascia il suo carico in orbita, sarà gassificato per mezzo di alimentazione di gas caldi per i serbatoi di propellente. Questi gas caldi saranno forniti da un generatore di gas (solido, liquido o ibridi). Come risultato, propellenti gassificato saranno utilizzati in un motore a gas per sviluppare la spinta necessaria per deorbitare lo stadio superiore in modo sicuro verso la Terra. Tra tutte le parti coinvolte in questa ricerca, questa tesi si concentrerà nello sviluppo di un modello analitico per i processi di gassificazione all'interno del serbatoio, e l'estrazione dei risultati utilizzando metodi di calcoli numerici (attaverso lo sviluppo di un codice MATLAB®), così come l'analisi di questi risultati e prospettive future delle investigazioni.