background image

Copyright © 2010 United Launch Alliance, LLC. Unpublished Work. All Rights Reserved.

FLV 1A

Propellant Depots 

Made Simple 

Bernard Kutter

Manager Advanced Programs

10 November 2010

Propellant Depots 

Made Simple 

Bernard Kutter

Manager Advanced Programs

10 November 2010

background image

FLV 1A

|

1

Discussion Overview

Brief ULA Background

“Simple Depot” Concept

Depot Operations

Brief Mission Use Examples

background image

FLV 1A

|

2

United Launch Alliance (ULA)

Two world-class launch systems

–Lockheed Martin’s Atlas program (Atlas V)
–The Boeing Company’s Delta program (Delta II, Delta IV)
–50/50 joint Boeing/Lockheed Martin ownership

Strengthened mission success

ULA’s charter

–Provide launch services on an equal access to all 

• No discrimination

–Support commercial launch services through Lockheed Martin 

and Boeing Commercial launch services

ULA Can Not Develop/Operate Satellites

ULA Can Not Develop/Operate Satellites

Including Propellant Depots

Including Propellant Depots

background image

FLV 1A

|

3

A Full Range of Capabilities to All Orbits

A Full Range of Capabilities to All Orbits

Launch Vehicle Products

Medium Class

Intermediate Class

Delta II

Delta IV

Delta IV Heavy

Atlas V

Heavy Class

background image

FLV 1A

|

4

ULA Cryogenic Upper Stages

ULA has 3 operational LO

2

/LH

2

upper stages

–Represents most of America’s orbital cryogenic experience

Centaur

3m

21 mT

0.90

194

Delta IV stage 2

4m

21 mT

0.87

12

Delta IV stage 2

5m

27 mT

0.87

4

Diameter

Propellant

Mass Fraction

# Flights

background image

FLV 1A

|

5

100% Mission Success

ULA Launch History

National Security               

NASA/Civil     

Commercial

NROL-21 - 12/14/06 - Delta II

THEMIS - 2/17/07 - Delta II

STP-1 - 3/8/07 - Atlas V

COSMO-1 - 6/7/07 - Delta II

NROL-30 - 6/15/07 - Atlas V

Phoenix - 8/4/07 - Delta II

Worldview-1 - 9/18/07 - Delta II

Dawn - 9/27/07 - Delta II

WGS-1 - 10/10/07 - Atlas V

GPS IIR-17 - 10/17/07 - Delta II

DSP-23 - 11/10/07 - Delta IV

COSMO-2 - 12/8/07 - Delta II

NROL-24 - 12/10/07 - Atlas V

GPS IIR-18 - 12/20/07 - Delta II

NROL-28 - 3/13/08 - Atlas V

GPS IIR-19 - 3/15/08 - Delta II

ICO G1 - 4/14/08 - Atlas V

GLAST - 6/11/08 - Delta II

OSTM - 6/20/08 - Delta II

GeoEye - 9/6/08 - Delta II

COSMO-3 - 10/24/08 - Delta II

NROL-26 - 1/17/09 - Delta IV

Most Recent Launches

NOAA-N' - 2/6/09 - Delta II

Kepler - 3/6/09 - Delta II

GPS IIR-20 - 3/24/09 - Delta II

WGS-2 - 4/3/09 - Atlas V

STSS ATRR - 5/5/09 - Delta II

LRO/LCROSS - 6/18/09 – Atlas V

GOES-O - 6/27/09 – Delta IV

GPS IIR-21 - 8/17/09 - Delta II

PAN - 9/8/09 

-

Atlas V

STSS Demo - 9/25/09 - Delta II

WorldView-2 - 10/8/09 

-

Delta II

DMSP F18 - 10/18/09 – Atlas V

Intelsat-14 - 11/23/09 – Atlas V

WGS-3 - 12/5/09 – Delta IV

WISE - 12/14/09 – Delta II

SDO - 2/11/10 – Atlas V

GOES-P - 3/4/10 – Delta IV

OTV-1 - 4/22/10 – Atlas V

GPS IIF SV-1 - 5/27/10 – Delta IV

AEHF-1 – 8/14/10 – Atlas V

NROL-41 – 9/20/10 – Atlas V

COSMO-4 – 11/5/10 – Delta II

Delta II

COSMO-4

11/5/10

Atlas V

NROL-41

9/20/10

Delta IV

GPS IIF SV-1

5/27/10

background image

FLV 1A

|

6

Why Propellant Depots

Propellant depots ease aggregation of elements

–Beneficial with all launch vehicle performance levels

Propellant 

Depot

Cryo Prop Stage Launch

HEFT 1 DRM 4 all cryo option

Propellant Depots Simplify Beyond LEO Exploration

Propellant Depots Simplify Beyond LEO Exploration

background image

FLV 1A

|

7

Historic Depot Paradigm

Propellant Depot as a Space Station

– Numerous launches
– On orbital assembly 
– Zero-boil-off 
– Zero-G cryogenic fluid management (CFM)

Assumed Depot Complexity has Effectively 

Assumed Depot Complexity has Effectively 

Prevented Depot Deployment for 5 Decades

Prevented Depot Deployment for 5 Decades

background image

FLV 1A

|

8

Simple Depot Concept

Existing Lines

New Lines

LH2 Module

L=16.3m

Mission

Module

Centaur

LO2 Module

L= 9.6m

H

e

 &

 

G

O

2

L

H

2

 S

to

ra

g

e

(1

1

0

 m

3

7

.6

 m

T

)

L

O

2

 S

to

ra

g

e

(4

8

 m

3

5

3

 m

T

)

Simple depot side steps historic barriers

– Single unit, single launch, no orbital assembly 
– Settled CFM (Transverse spin) 
– Simplified thermal management 
– H2 boil-off for station keeping

Key cryo storage principles

– Minimize penetrations
– Minimize surface area
– Segregate cold-hot elements

NASA Should Lead Propellant Depot Development

NASA Should Lead Propellant Depot Development

Atlas 551 Launch

background image

FLV 1A

|

9

Historic Cryogenic Storage

2.0%

Hours

20 & 100

20,900

ULA

Liquid hydrogen & 

oxygen

Centaur

19.6% SOFI 

5.1

20

426

BATC

Liquid hydrogen

HALE

0.0085 %

38.4

90-211

354

BATC

ScO2

PRSA Enhanced

0.22 % s

14.8

90-211

354

BATC

ScO2

PRSA2

~7% 

w/ heaters

0.5      
0.5

20-83                       

90-211

42

354

BATC

ScH2                   
ScO2

Power Reactant Storage 

Assy (PRSA)1

0.022%

150

90

7186

Beech  

BATC

Liquid Oxygen

OTTA

0.022%

150

20

446

Beech 

BATC

Liquid hydrogen

HTTA

0.05%

66

1.3

45

BATC

SfHe

Spitzer

0.07%

49

1.5

83

BATC

SfHe

COBE

0.32%

10

1.7

70

BATC

SfHe

IRAS

0.07%
0.08%

44.9
40.4

65

145

91
42

LMC

Solid methane

Solid ammonia

Long-life cooler

(LLC) (2-stage)

0.04%
0.07%

66

64.9

65

145

150

73

LMC

Solid methane

Solid ammonia

Extended life cooler 

(ELC) 

0.16%
0.13%

19.8

25

14

125

449
340

LMC

Solid Neon

Solid CO2

CLAES (2-stage) (Post 

Challenger)

0.15%

21.4

10.4

85

LMC

Solid hydrogen

CLAES 

0.264%

10

9.5

85

LMC

Solid hydrogen

SPIRIT III

0.49%

5.4

12

4

LMC

Solid hydrogen

WIRE 

0.09%

30

1.8

29

LMC

SFHe

SHED

0.17%
1.34%

16

2

1.8
1.8

334

29

LMC

Superfluid

helium (SFHe)

Gravity probe-B

SMD/EDD

Flow-rates 

per day (%)

Life-

time (mo)

Operating 

temp (K)

Tank 

capacity (kg)

Company

Cryogen

Program

Efficient Cryogenic Storage Already Demonstrated

Efficient Cryogenic Storage Already Demonstrated

Need to Develop Large Scale, Mass Efficient Storage

Need to Develop Large Scale, Mass Efficient Storage

background image

FLV 1A

|

10

LH2 Module

L

H

2

 S

to

ra

g

e

(1

1

0

 m

3

7

.6

 mT

)

C

e

n

tr

if

u

g

a

F

o

rc

e

Counter weight

Integrated MLI blanket
-Minimal penetrations
-GH2 vapor cooled shield
-Broad area cooling
-MMOD

Sun Shield

LH2 tank (launched empty)
0.013” CRES monocoque
No foam

GH2 vapor cool tank

Composite strut adapter
LH2 transfer line/valves
GH2 pressurization/vent line
Wiring
GH2 vapor cool penetrations

LH2 

Module

H2 

Ullage

Built using existing 

Centaur tooling

background image

FLV 1A

|

11

LO2 Module

C

e

n

tr

if

u

g

a

F

o

rc

e

H

e

 &

 

G

O

2

L

O

2

 S

to

ra

g

e

(4

7

 mt

3

5

4

 mT

)

Composite Adapter
Wiring
GO2 pres/vent line
LO2 transfer line

GH2 vapor cool wall

Integrated MLI blanket
-Minimum penetrations
-GH2 vapor cooled shield
-Broad area cooling
-MMOD

GH2 vapor cooling cooling 
to condition LO2

GH2 vapor cooled tank

Purge shut-off valves
GH2 cool engine beam
Cylindrical sun shield

Warm GH2 RCS

LO2 

Module 

(Centaur)

Cg

Existing Lines
New Lines

background image

FLV 1A

|

12

Depot Demonstration

ESPA structure
Avionics
Propellant control
Transfer pumps
Solar power
Grapple arm
Transfer Port
Cryocooler
Radiator

Mission 

Module

background image

FLV 1A

|

13

Technology Readiness

3

3

Fluid Coupling

5

4

Tank fill operation

9 (5*)

9 (5*)

Propellant Subcooling P>1atm (P<1atm*)

9

4

Pressure Control

5

4

Transfer System Operation

7

5

9

9

9

9

3

4

9 (4)

3

9

5

9

Settled

7

4

3

4

4

3

3

4

9 (4)

3

9

5

Na

0-G

Current TRL

MLI Integrated Micro Meteorite Protection

AR&D

System Chilldown

Propellant Expulsion Efficiency

Mass Gauging

Propellant acquisition

Ullage & Liquid Stratification

Active cooling (LH2)*

Broad Area Cooling

Vapor Cooling (para ortho conversion)

Multi-layer insulation (MLI)

Thermodynamic Vent System

Low Acceleration Settling

Cryo Transfer Technology

* Upgrade option for enhanced long duration operation

background image

FLV 1A

|

14

Demonstration to Orion Mission

Atlas 551 launch of depot

– Transfer 12 mT Centaur residuals for long term storage

Demonstrate DCSS operations

– Docking, propellant transfer, Earth departure

Refuel depot

Orion Lagrange/Lunar fly by mission

background image

FLV 1A

|

15

Large Scale Plum Brook Cryo Test

Allows near term full scale technology 
demonstration

Thermal vacuum test of flight cryo tank
(Centaur) at Plum Brook

– ULA loans Centaur tank (2011)
– NASA outfits tank to NASA requirements 
– NASA performs testing (2012)

Test Objectives

– Enhance CFM confidence enabling

use for exploration missions 

– Demonstrate low boil-off storage

• ~2%/day current flight demonstrated
• ~0.25%/day with existing Centaur
• Guide future vehicle design 

to support <0.1%/day boil-off

Integrated MLI

Vapor cool

Clean bulkhead
- Min penetrations

Vapor cool

Enhanced 

Thermal 

Protection

Vapor cool

engine mount

background image

FLV 1A

|

16

CRYOTE

Small Scale 

Demonstrations    

2012-2014

Leading to 

Large Scale 

Cryo-Sat Flagship  

Tech Demo    

2015 

2010 Ground test 

2012 Orbital flight 

(Geoeye) in work

CRYOTE (CRYogenic Orbital TEstbed) 

– In-space laboratory for cryo fluid 

management (CFM) technologies

– Uses residual Centaur LH2 after 

primary payload separation

Quickly Demonstrates Critical CFM Capabilities

Quickly Demonstrates Critical CFM Capabilities

Centaur 

LH2 

acquisition

background image

FLV 1A

|

17

Technology Readiness

3

3

3

3

Fluid Coupling

6

4

5

4

Tank fill operation

9 (5*)

9 (5*)

9 (5*)

9 (5*)

Propellant Subcooling P>1atm (P<1atm*)

9

6

9

4

Pressure Control

6

4

5

4

Transfer System Operation

7

5

9

9

9

9

3

4

9 (4)

3

9

5

9

Settled

7

4

3

4

4

3

3

4

9 (4)

3

9

5

Na

0-G

Current TRL

5

5

MLI Integrated Micro Meteorite Protection

7

7

AR&D

6

4

System Chilldown

9

6

Propellant Expulsion Efficiency

9

4

Mass Gauging

9

6

Propellant acquisition

9

6

Ullage & Liquid Stratification

3

3

Active cooling (LH2)*

4

4

Broad Area Cooling

9 (6)

9 (6)

Vapor Cooling (para ortho conversion)

9

9

Multi-layer insulation (MLI)

6

6

Thermodynamic Vent System

9

na

Low Acceleration Settling

Settled

0-G

Post-CRYOTE Lite TRL

Cryo Transfer Technology

* Upgrade option for enhanced long duration operation

background image

FLV 1A

|

18

Depot Capacity Options

LH2

LO2

Mission

Module

30 mT

Capacity

70 mT

120 mT

200 mT

Launch Using Existing or Future Rockets

Launch Using Existing or Future Rockets

background image

FLV 1A

|

19

Lagrange Mission or Lunar Fly By

Example

Propellant Launch

Propellant Depot

Delta IV

Atlas V 552

Falcon 9

Atlas V 552

38 mT propellant launched

Earth Departure 

(C3=0)

Orion

DIV HLV RS68A 

Orion

Requires:

– Propellant depot
– Earth departure stage
– Propellant delivery

Transfer Prop EDS

background image

FLV 1A

|

20

Lunar Surface Mission Example

Altair

TLI

Orion

Altair

Orion

Propellant Launch

Propellant Depot

Alternative Options

HLV

>70 mT Propellant

Delta IV

Atlas V

Falcon 9

Taurus II

Transfer Prop EDS

background image

FLV 1A

|

21

NEO Mission Example

HLV 

SM, Hab

Upper Stage (EDS)

Earth Depart

(C3 ~8) 

Orion

SM

Hab

SM

Hab

Propellant Launch

Propellant Depot

Alternative Options

Transfer Prop EDS

HLV

>70 mT per launch 

Orion

Delta IV

Atlas V

Falcon 9

Taurus II

background image

FLV 1A

|

22

Mars Mission Example

SM

Hab

Propellant Launch

LEO Depot

Transfer Prop EDS

L2 Depot

Transfer Prop
EDS, SM, Lander

Earth Depart 

(C3=20)

Orion

SM

Hab

Lander

Lander

HLV 

SM, Hab, Lander

Upper Stage (EDS)

Orion

Alternative Options

Delta IV

Atlas V

Falcon 9

Taurus II

HLV

>70 mT per launch 

background image

FLV 1A

|

23

Early launch of 
Orion from LC-39 
can enable 
crewed missions 
beyond Earth 
orbit as early as 
2016