Considerazioni sul prototipo e raffinamento della struttura

Il prototipo realizzato ha dimostrato la sostanziale validità del progetto realizzato. Sono stati effettuati alcuni piccoli aggiustamenti che hanno riguardato le alette di fissaggio delle facce del cubo, l’alloggiamento dei motori e la faccia di base.

Sono stati poi aggiunti tutti i fori necessari per le viti, tanto per l’unione dei pezzi come per il fissaggio dell’elettronica e del cubo sulla struttura del satellite.

Di seguito è mostrato l’aspetto finale delle parti che compongono la struttura del sistema di controllo d’assetto.

Facce di supporto dei motori:

Figura IV.3: Disegni finali della struttura meccanica

Le facce di supporto dei motori non hanno subito sostanziali modifiche. Sono stati aggiunti i fori di fissaggio per le viti ove necessario; sulla parte esterna, è stato modificato l’alloggiamento del motore, inserendo una ulteriore scanalatura per l’uscita del cavo di collegamento tale da permettere l’istallazione del motore in entrambi i sensi. Di seguito sono spiegare le ragioni che hanno portato a questa scelta.

Faccia di supporto delle bobine:

Oltre ad aggiungere tutti i necessari fori di fissaggio, dall’assemblaggio dei pezzi è risultata una interferenza tra le alette di alcune facce e i magnetotorquer, che potevano toccarle. Si è quindi sagomata l’aletta dandole un profilo triangolare, assicurando quindi lo spazio necessario per il corretto posizionamento della bobina. In corrispondenza dello spigolo in cui troverà posto il cubetto di fissaggio dei magnetotorquer sono stati aggiunti tre fori di fissaggio.

Oltre alle precedenti caratteristiche, la faccia di supporto dell’elettronica è stata dotata di quattro fori in corrispondenza dei supporti predisposti sui circuiti stampati. Originariamente si era pensato di posizionare la scheda elettronica inferiore in corrispondenza del cubetto di fissaggio dei magnetotorquer. Esaminando l’assemblaggio nel suo complesso, lo spessore delle schede e dei componenti e le possibilità offerte dai connettori scelti per le schede, ci si è resi conto che era necessario recuperare alcuni millimetri di spazio in altezza. La presenza del magnetotorquer inferiore e del cubetto di fissaggio impediva di avvicinare la scheda inferiore al fondo della struttura, per cui la soluzione più ragionevole è stata invertire la faccia di fissaggio dell’elettronica, portandola su quella opposta.

Il risultato finale è mostrato nella seguente figura:

Figura IV.4: Assemblaggio finale del sistema di controllo d’assetto

Nell’immagine di sinistra, sono chiaramente visibili le schede elettroniche alloggiate all’interno della struttura: sul fondo, si trova la scheda di controllo dei magnetotorquer; al secondo livello, la

scheda di controllo digitale, con il microcontrollore e i connettori di comunicazione con l’esterno; al terzo livello, la scheda dei magnetometri, con una piccola scheda verticale dove alloggia il sensore relativo all’asse Z; al di sopra di tutto, la scheda di controllo dei motori.

Questa soluzione chiaramente richiede un allungamento dei collegamenti, ma si tratta sicuramente di un compromesso più che accettabile data l’impossibilità di modificare l’altezza dei componenti elettronici e la necessità di non aumentare ulteriormente le dimensioni della struttura.

Tutte le schede sono state sagomate per seguire l’andamento della struttura meccanica, in particolare le due centrali presentano una rientranza per lasciar posto al supporto del motore.

IV.4: Simulazioni numeriche

Terminata la progettazione, sono state realizzate una serie di simulazioni numeriche utilizzando gli appositi strumenti forniti da CATIA per valutare la resistenza della struttura e calcolare le frequenze proprie di vibrazione.

Il primo tipo di verifica è stato relativo alle condizioni statiche. Si è scelto di ancorare la struttura sulla sua base inferiore e di applicare una forza pari alla massa della struttura stessa sottoposta ad una accelerazione di 100g su una faccia perpendicolare alla base.

Questo tipo di simulazione è giustificata dalle elevate accelerazioni che può subire la struttura a causa dell’accelerazione di un missile durante il lancio: il valore scelto è chiaramente molto superiore ma serve per stabilire la robustezza della struttura disegnata.

La rappresentazione offerta da CATIA mostra le deformazioni subite dalla struttura con una rappresentazione in una scala aumentata affinché si possano apprezzare. L’analisi degli stress di Von Mises rileva valori massimi nell’ordine di 106Nm2.

Ogni materiale ha una sua resistenza alla deformazione, quantificata dalla tensione di snervamento. Quando uno stress raggiunge questo valore, le deformazioni che provoca nel materiale sono di tipo irreversibile, indebolendolo e portando a diminuire ulteriormente la sua resistenza. Finché quindi i valori di stress calcolati dalla simulazione restano al di sotto di questa soglia, si ha la sicurezza che la struttura non subisce danni.

Per l’alluminio, la tensione di snervamento è pari a 15-20MPa, ossia 1.5-2*107Nm2. Questo valore è almeno un ordine di grandezza superiore agli stress calcolati, per cui la struttura risulta adeguata a sopportare anche forti accelerazioni.

Figura IV.5: Risultati della simulazione degli stress di Von Mises

Vista la presenza di parti in movimento fissate sulla struttura, ossia le ruote di momento, è importante calcolare anche le frequenze proprie della struttura per assicurarsi che non avvengano risonanze potenzialmente dannose.

Si è eseguita quindi una analisi delle frequenze della struttura, ipotizzando nuovamente che sia fissata sulla faccia inferiore.

I risultati mostrano la presenza dei seguenti modi di vibrazione:

Mode Number Frequenza

Hz 1 2.1692e+003 2 3.0560e+003 3 4.0710e+003 4 4.6744e+003 5 5.1361e+003

Le velocità dei motori scelti non consentono il raggiungimento di frequenze di rotazione superiori ai 420Hz (si veda il paragrafo III.5), di conseguenza questa simulazione ha dimostrato l’impossibilità di fenomeni di risonanza tra le parti in rotazione fissate sulla struttura e la struttura stessa.

Lo stesso tipo di simulazione è stato effettuato sulla ruota di momento, con i seguenti risultati:

Mode Number Frequenza

Hz 1 2.4141e+003 2 2.7110e+003 3 2.7184e+003 4 5.2360e+003 5 1.0383e+004

Anche in questo caso, le frequenze calcolate non presentano alcun problema per le condizioni di funzionamento del sistema.