Study of a Design Algorithm for Mono-Propellant Thruster With Green Fuel for Use in Satellite Attitude Control Module

Sharifat, Alireza; Madadi, Ali; Jalali Chimeh, Seyed Alireza

doi:10.22034/jsst.2025.1594

Study of a Design Algorithm for Mono-Propellant Thruster With Green Fuel for Use in Satellite Attitude Control Module

Document Type : Original Research Paper

Authors

Alireza Sharifat ¹

Ali Madadi ²

seyed Alireza Jalali chimeh ³

¹ MS.c, Department of Aerospace Engineering Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

² Assiatant Professoe, Department of Aerospace Engineering Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

³ Assistant Professor, Iranian Space Research Center, Tehran, Iran

10.22034/jsst.2025.1594

Abstract

Achieving higher orbital positions and increasing the duration of space missions requires the use of space propulsion systems. Also, due to the very high cost of building and launching large satellites and the consequent development of constellation satellite technology and the use of several microsatellites instead of one large satellite, small and light propulsion systems with appropriate specific thrust have received great attention. Among these types of propulsion systems that are being studied and developed today are mono-propellant propulsion systems with green propulsion. Due to issues such as pollution, toxicity of the propulsion, difficulty in long-term maintenance and storage, and price, the development of green propulsion thrusters that can be developed and manufactured in academic environments has received attention. In this article, an attempt has been made to present an algorithm for designing a single-propulsion propulsion system with a green propulsion with a propulsion force of one Newton and with a system perspective for a cubic satellite. Various propulsion options have been examined and finally, by extracting the best design options, according to the results of the statistical study, the thruster design and validation of important and critical parts of the design have been addressed by numerical analysis and simulation. The mission considered for the thruster of this satellite is a hypothetical orbital maneuver mission for which the required system and mass-energy information is extracted. Finally, a system design model for green thrusters has been presented.. . . . . . . . . . . . . . .

Keywords

Mono Propellant thruster

cubic satellite

green propellant

catalyst

system desing

Subjects

System Design, Space Propulsion and Space System Simulation

Article Title Persian

بررسی الگوریتم طراحی یک تراستر تک مولفه با سوخت سبز جهت کاربرد درماژول کنترل وضعیت ماهواره

Authors Persian

علیرضا شریفات ¹

علی مددی ²

سیدعلیرضا جلالی چیمه ³

¹ کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

² دانشیار، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

³ استادیار، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران،ایران

Abstract Persian

دستیابی به موقعیت‌های مداری بالاتر و افزایش طول مأموریت‌های فضایی، نیازمند بهره‌گیری از سامانه‌های پیشرانش فضایی است. همچنین با توجه به هزینه بسیار بالای ساخت و پرتاب ماهواره‌های بزرگ و به تبع آن توسعه تکنولوژی ماهواره‌های منظومه‌ای و استفاده از چندین میکرو ماهواره به جای یک ماهواره بزرگ، سیستم‌های پیشرانش کم حجم و سبک و در عین حال با ضربه ویژه مناسب به شدت مورد توجه قرار گرفته‌اند. از جمله این نوع سامانه ها پیشران که امروزه مورد بررسی و توسعه میباشند سامانه های پیشران با تک مولفه ای با پیشرانه سبز می باشد.،به دلیل مسائلی نظیر آلایندگی، سمی بودن پیشرانه، دشواری در نگهداری و ذخیره سازی بلندمدت و قیمت، توسعه رانشگرها با پیشرانه سبز که قابلیت توسعه و ساخت در محیطهای دانشگاهی را دارند مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله، تلاش شده است که الگوریتم طراحی یک سامانه پیشرانش تک پیشرانه‌ای با پیشرانه سبز با نیروی پیشران یک نیوتن و با دیدگاه سیستمی برای یک ماهواره مکعبی ارائه شده است. گزینه های مختلف پیشرانه مورد بررسی قرار گرفته است و در انتها با استخراج بهترین گزینه‌های طراحی ، با توجه به نتایج مطالعه آماری، به طراحی رانشگر و اعتبارسنجی بخش‌های مهم و بحرانی طراحی به وسیله تحلیل و شبیه سازی عددی پرداخته شده است. ماموریت در نظر گرفته شده برای رانشگر این ماهواره، یک ماموریت فرضی مانور مداری در نظر گرفته شده است که اطلاعات سیستمی و جرمی انرژتیک مورد نیاز، برای آن استخراج گردد. در پایان نیز الگوی سیستمی طراحی برای رانشگرهای سبز ارائه شده است.

Keywords Persian

رانشگر تک‌ پیشرانه‌

ماهواره مکعبی

پیشرانه‌سبز

کاتالیست

طراحی سیستمی

[1] R. W. Humble, N. H. Gary, and W. J. L. Lardon, Space Propulsion Analysis and Design, 1rd ed. New York: McGraw-Hill, 2007.

[2] M. Negri, "Replacement of hydrazine: Overview and first results of the H2020 project rheform," in 6th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), Krakow, Poland, 2015.

[3] A. Okninski et al., "Development of green storable hybrid rocket propulsion technology using 98% hydrogen peroxide as oxidizer," Aerospace, vol. 8, no. 9, 2021, Art. no. 234, https://doi.org/10.3390/aerospace8090234.

[4] J. R. Wallbank, P. A. Sermon, A. M. Baker, L. Courtney, and R. M. Sambrook, "Nitrous oxide as a green monopropellant for small satellites," in 2th Conference on Green Propellants for Space Propulsion, Cagliari, Sardinia, Italy, 2004.

[5] Z. Vadim and L. Li, "Propulsion challenges for small spacecraft: 2005," Tsinghua Science and Technology, vol. 11, no. 5, pp. 507-514, 2006, https://doi.org/10.1016/S1007-0214(06)70227-9.

[6] R. Masse, J. Overly, M. Allen, and R. A. Spores, "A new state-of-the-art in Af-M315E thruster technologies," in 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Atlanta, Georgia, 2012, Paper AIAA2012-4335, https://doi.org/10.2514/6.2012-4335.

[7] N. Wingborg, A. Larsson, M. Elfsberg, and P. Appelgren, "Characterization and ignition of ADN-based liquid monopropellants, in 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Tucson, Arizona, 2005, Paper AIAA 2005-4468, https://doi.org/10.2514/6.2005-4468.

[8] A. E. S. Nosseir, A. Cervone, and A. Pasini, "Modular impulsive green monopropellant propulsion system (MIMPS-G): For CubeSats in LEO and to the Moon," Aerospace, vol. 8, no. 6, 2021, Art. no. 169, https://doi.org/10.3390/aerospace8060169.

[9] K. I. Parker and D. C. Folta, "15- Propulsion system," in Cubesat Handbook, From Mission Design to Operations, C. Cappelletti, S. Battistini, and B. K. Malphrus, Eds. Academic Press, 2020, pp. 283-301, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817884-3.00015-1.

[10] A. S. Gohardani et al., "Green space propulsion: Opportunities and prospects," Progress in Aerospace Sciences, vol. 71, pp. 128-149, 2014, https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2014.08.001.

[11] S. Krishnan, A. S. Hee, and L. C. Won, "Design and development of a hydrogen-peroxide rocket-engine facility," Jurnal Mekanikal, no. 30, pp. 24-36, 2010.

[12] A. De laco Veris, Fundamental Concepts of Liquid-Propellant Rocket Engines," Springer Cham, 2021, https://doi.org/10.1007/978-3-030-54704-2.

[13] T. Franken, F. Valencia-Bel, B. V. S. Jyoti, and B. T. C. Zandbergen, "Design of a 1-N monopropellant thruster for testing of new hydrogen peroxide decomposition technologies," in Aerospace Europe Conference, Bordeaux, France, 2020, pp. 25-28.

[14] B. T. C. Zandbergen, "Thermal rocket propulsion," (version 2.04), Delft University of Technology, 2010, AE4S01, Lecture Notes.

[15] K. V. Mani, "Combined chemical-electric propulsion design and hybrid trajectories for stand-alone deep-space CubeSats," Ph.D. dissertation, Politecnico di Milano, Italy, 2020.

[16] A. K. Coker, Fortran Programs for Chemical Process Design, Analysis, and Simulation, Houston: Gulf, 1995.

[17] O. Bey and G. Eigenberger, "Fluid flow through catalyst filled tubes," Chemical Engineering Science, vol. 52, no. 8, pp. 1365-1376, 1997, https://doi.org/10.1016/S0009-2509(96)00509-X.

[18] G. P. Sutton and O. Biblarz, Rocket Propulsion Elements,9^th ed. John Wiley & Sons, 2016.

[19] A. H. Adami, M. Mortazavi, and M. Nosratollahi, "Multidisciplinary design optimization of hydrogen peroxide monopropellant propulsion system using GA and SQP," International Journal of Computer Applications, vol. 113, no. 9, pp. 14-21, 2015, https://doi.org/10.5120/19853-1774.

[20] J. R. Wertz, D. F. Everett, and J. J. Puschell, Space Mission Engineering : the New SMAD, Hawthorne, CA: Microcosm Press, 2011.