Se você configurar seu sistema para que a troca esteja nos HDDs, poderá executar sua unidade de inicialização flash como somente leitura e todas as gravações irão para um sistema de arquivos de sobreposição na troca. Um writeup de como fazer isso é em link - use as instruções do overlayfs ao invés de aufs. Você pode colocar quaisquer partições onde as gravações precisam ser preservadas ( por exemplo, / var) nos HDDs.
Instale o sistema no flash como faria em qualquer outra mídia, configure a criptografia, o LVM2 etc. e teste se tudo funciona. Você deve criptografar o pendrive também se quiser proteção total para os dados. Em seguida, modifique o initfs conforme descrito no link e você está pronto para ir.