Design and development of a 1 N HTP monopropellant flight system

This thesis focuses on the development of an engineering model of a monopropellant propulsion system based on high test peroxide (HTP) for CubeSat satellites. The work was carried out within an internship program at T4i, as part of a research and development programme for the Italian Space Agency (ASI). The activity addresses a strategic technological need for both European and national CubeSat programs, contributing to the advancement of autonomous, reliable, and cost-effective in-orbit propulsion capabilities for European small satellites. The main objective of the thesis is the design of a compact, efficient, and scalable propulsion system suitable for small satellite applications. The research activity involved the development of a numerical simulator of the propulsion system, modeled under blowdown operating conditions, to analyze the evolution of the main propulsive parameters during the propellant discharge process. The simulator was employed to evaluate system performance and to identify the optimal trade-off between propulsion efficiency and allowable operational limits. Based on the simulation outcomes, a detailed CAD model of the propulsion system was developed, and multiple design solutions were investigated. The final configuration was selected by balancing the achievable total impulse with manufacturing feasibility and system integration constraints. The entire design process was performed in accordance with applicable international and European standards. ASME standards were applied to the mechanical design phase, with particular focus on the structural sizing and verification of pressurized components. DOT and PED regulations were adopted to define pressure vessel classification, allowable pressure limits, and safety requirements for the storage and handling of high-test peroxide. Furthermore, ECSS standards were employed during requirements definition and verification planning, ensuring compliance with European CubeSat mission constraints and system-level qualification objectives

Questa tesi è incentrata sullo sviluppo di un modello ingegneristico di un sistema di propulsione monopropellente basato su perossido di idrogeno ad alta concentrazione (High Test Peroxide, HTP) per satelliti CubeSat. Il lavoro è stato svolto nell’ambito di un programma di tirocinio presso T4i, all’interno di un programma di ricerca e sviluppo per l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI). L’attività risponde a un’esigenza tecnologica strategica per i programmi CubeSat nazionali ed europei, contribuendo allo sviluppo di capacità propulsive autonome, affidabili ed economicamente sostenibili in orbita per i piccoli satelliti europei. L’obiettivo principale della tesi è la progettazione di un sistema di propulsione compatto, efficiente e scalabile, idoneo ad applicazioni su piccoli satelliti. L’attività diricerca ha previsto lo sviluppo di un simulatore numerico del sistema di propulsione, modellato in condizioni operative di tipo blowdown, al fine di analizzare l’evoluzione dei principali parametri propulsivi durante la fase di scarico del propellente. Il simulatore è stato utilizzato per valutare le prestazioni del sistema e per individuare il compromesso ottimale tra efficienza propulsiva e limiti operativi ammissibili. Sulla base dei risultati delle simulazioni, è stato sviluppato un modello CAD dettagliato del sistema di propulsione e sono state analizzate diverse soluzioni progettuali. La configurazione finale è stata selezionata bilanciando l’impulso totale conseguibile con la fattibilità produttiva e i vincoli di integrazione del sistema. L’intero processo di progettazione è stato condotto in conformità alle norme internazionali ed europee applicabili. In particolare, gli standard ASME sono stati applicati alla fase di progettazione meccanica, con specifico riferimento al dimensionamento strutturale e alla verifica dei componenti pressurizzati. Le normative DOT e PED sono state adottate per la classificazione dei serbatoi in pressione, la definizione dei limiti di pressione ammissibili e dei requisiti di sicurezza relativi allo stoccaggio e alla gestione del perossido di idrogeno ad alta concentrazione. Inoltre, gli standard ECSS sono stati utilizzati nelle fasi di definizione dei requisiti e di pianificazione delle attività di verifica, garantendo la conformità ai vincoli di missione CubeSat europei e agli obiettivi di qualificazione a livello di sistema.