Development of a small cryogenic depot

Development of a small cryogenic depot to improve in-space sustainability.

The use of depots and in-orbit refuelling will be key for long-term manned lunar and Martian missions, by enabling multi-launch missions and in-space reusable tugs. The use of smaller depots and refuelling missions targeting more specific orbits could also lead to space sustainability improvements for space operations.
Over the last year Absolut System has worked on the development of a small cryogenic propellent depot, within the framework of the CNES R&D Challenge for the reuse of the upper stage. A system capable of storing and transferring cryogenic propellants in-orbit was designed with the aim of being launchable (filled) as a payload on one possible evolution of the Ariane launcher. This development included an in-depth analysis of the mission scenarios, then our cryogenic expertise was used for the thermal modelling for the optimisation of the zero-boil off (ZBO) system and modelling the process of transferring cryogenic propellants in microgravity.

For this initial study, two main mission concepts were chosen:

• Refuelling debris collection missions in an 800 km sun synchronous orbit (SSO) – increasing the number of debris every collector can deorbit within its lifetime, to provide a more sustainable and cost-effective option for cleaning space.
• Refuelling satellites in a geostationary orbit (GEO) – extending the lives of satellites with functional payloads but who lack the fuel to continue maintaining their positions, reducing the number of satellites launched and subsequently placed into graveyard orbits.

For the first scenario, debris collectors were assumed to refuel from a large depot in SSO. Calculations showed a clear benefit to placing small depots into specific orbits localised near debris-crowded regions, minimising the mass of propellant collectors needed for orbital manoeuvres. For the GEO missions, the launcher can deliver the propellant to a geostationary transfer orbit (GTO), and a reusable fuel tug is then used to transfer the propellant to GEO and refuel satellites.

The system was designed for two configurations: LOX/LCH4 and LAr. These were selected based on their likelihood of use in future systems and compatibility with future Mars missions. However, these cryogenic propellants introduce several additional challenges. The tanks will require a combination of passive insulation and active cooling using a turbo-brayton cryocooler, to
achieve ZBO long term storage. To be able to refuel craft with no-vent filling in microgravity, the propellant and the transfer system must be carefully thermally conditioned. The system developed is intended to be scalable upwards for larger depots, and downward for use on refuelling tugs.

Many thanks to CNES for their financial and technical support of this project through the Challenge R&D 2021 for the reuse of the upper stage.

Développement d’un petit dépôt cryogénique permettant d’améliorer la durabilité des opérations spatiales.

L’utilisation de dépôts et le ravitaillement en orbite sont essentiels pour les missions lunaires et martiennes habitées à long terme, puisqu’elles permettent d’obtenir des missions à lancements multiples et des remorqueurs réutilisables dans l’espace. Cette utilisation de dépôts plus petits et de missions de ravitaillement ciblant des orbites plus spécifiques pourrait également permettre d’améliorer la durabilité des opérations spatiales.
Au cours de l’année dernière, Absolut System a travaillé sur le développement d’un petit dépôt d’ergols cryogéniques, dans le cadre du Challenge R&D du CNES pour la réutilisation de l’étage supérieur.

L’objectif : concevoir un système capable de stocker et de transférer des ergols cryogéniques en orbite dans le but de pouvoir être lancé (rempli) comme charge utile sur une évolution possible du lanceur Ariane.
Ce développement a inclus une analyse approfondie des scénarios de mission. Notre expertise cryogénique a été utilisée pour la modélisation thermique afin d’optimiser le système ZBO (zero-boil off) et de modéliser le processus de transfert des ergols cryogéniques en microgravité.

Pour cette première étude, deux scénarios principaux ont été retenus :

• Le ravitaillement des missions de collecte de débris sur une orbite héliosynchrone (SSO) de 800 km – en augmentant le nombre de débris que chaque collecteur peut désorbiter au cours de sa vie, afin d’offrir une option plus durable et plus rentable pour nettoyer l’espace.
• Le ravitaillement des satellites en orbite géostationnaire (GEO) – avec pour objectif de prolonger la vie des satellites ayant une charge utile fonctionnelle mais qui n’ont pas assez de carburant pour continuer à maintenir leur position, ce qui réduit le nombre de satellites lancés et placés ensuite sur des orbites cimetière.

Pour le premier scénario, Absolut System a supposé que les collecteurs de débris se ravitaillaient à partir d’un grand dépôt en SSO. Les calculs ont montré qu’il était clairement avantageux de placer de petits dépôts sur des orbites spécifiques localisées près des régions où se concentrent les débris, afin de minimiser la masse d’ergols nécessaire aux manœuvres orbitales des collecteurs.
Pour les missions GEO, le lanceur peut, à la suite d’un rendez-vous en orbite de transfert géostationnaire (GTO), livrer les ergols cryogéniques à un remorqueur de carburant réutilisable qui les acheminera ensuite en GEO pour ravitailler les satellites.

Le système a été conçu pour deux configurations : LOX/LCH4 et LAr. Celles-ci ont été choisies en fonction de leur compatibilité avec les futures missions martiennes et de leur probabilité d’utilisation dans des systèmes futurs. Cependant, ces ergols cryogéniques présentent plusieurs défis supplémentaires :

• Les réservoirs nécessiteront une combinaison d’isolation passive et de refroidissement actif à l’aide d’un cryoréfrigérant Turbo-Brayton, afin d’obtenir un stockage à long terme de type ZBO.
• Pour pouvoir ravitailler des vaisseaux avec un remplissage sans évent en microgravité, le propulseur et le système
  de transfert doivent être soigneusement conditionnés thermiquement.
• Le système développé est destiné à être évolutif vers le haut pour des dépôts plus importants, et vers le bas pour une utilisation sur des remorqueurs de ravitaillement.

Nous souhaitons remercier tout particulièrement le CNES pour son soutien financier et technique sur ce projet à travers le Challenge R&D 2021 pour la réutilisation de l’étage supérieur.