TESI DI LAUREA
IN
INGEGNERIA AEROSPAZIALE
INDIRIZZO SPAZIALE
ANALISI
DI
MISSIONE
E
PROGETTO
DI
UN
MINISATELLITE
A
PROPULSIONE
ELETTRICA
PER
L’ESPLORAZIONE
DELLE
FASCE
DI
VAN
ALLEN
Mario Cirone
Anno Accademico 2005-2006
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale
Indirizzo Spaziale
Tesi di Laurea
Analisi di missione e progetto di un
minisatellite a propulsione elettrica per
l’esplorazione delle Fasce di Van Allen
Candidato
Mario Cirone
Relatori
Prof. S. Marcuccio Prof. M. Andrenucci
Ringraziamenti
Desidero ringraziare il Prof. Salvo Marcuccio per il costante aiuto datomi in questo lavoro di tesi, per avermi fornito una parte delle sue conoscenze nel campo dei Sistemi spaziali e per i preziosi consigli.
Desidero inoltre ringraziare il Prof. Mariano Andrenucci per avermi dato l’opportunità di svolgere questa tesi presso CENTROSPAZIO/ALTA.
Un ringraziamento va all’Ing. C. Casaregola per gli utili suggerimenti ed il materiale messomi a disposizione per l’apprendimento del software STK, utilizzato in questa tesi.
Un sentito ringraziamento, per alcuni utili consigli e per i bei anni passati sui banchi universitari, va all’Ing. B. De Filippo, amico prima che collega. Rivolgo un ringraziamento speciale ai miei genitori per il forte sostegno che in questi anni universitari mi hanno sempre assicurato, per la loro fiducia e serenità che non sono mai mancate. A loro dedico questa tesi. Un ringraziamento particolare va poi a mia sorella, ai miei nonni e a tutti coloro che mi sono stati vicini.
Ringrazio infine gli amici con cui ho trascorso, fin dall’inizio, questi anni. In ordine alfabetico: Elena, Eugenio, Francesco, Guido, Mario, Massimiliano, Riccardo. La loro amicizia ha reso unico ed indimenticabile questo periodo universitario.
Sommario
Nella presente tesi si affronta l’analisi di missione ed il progetto di un minisatellite a propulsione elettrica.
Più in particolare, il minisatellite sfrutta un motore ad Effetto Hall in fase di sviluppo presso CENTROSPAZIO/ALTA di Pisa. Poiché tale motore fornisce una spinta piccola, la traiettoria seguita dal satellite sarà una lenta spirale e ciò consente l’esplorazione delle Fasce di Van Allen.
Si esegue un dimensionamento di tutti i sottosistemi del satellite, utilizzando, dove possibile, una componentistica con un impatto minimo, in termini di massa e potenza. Si forniscono così i bilanci di massa e di potenza del minisatellite.
Si determina inoltre una possibile configurazione del satellite, individuando anche la disposizione di alcuni suoi componenti.
Viene eseguito quindi uno studio analitico della missione, basato sull’integrazione delle equazioni del moto, da cui si ottengono il tempo di trasferimento ed il consumo di propellente.
La missione viene inoltre simulata con il software STK, prendendo in considerazione alcune possibili strategie di sparo del motore.
I risultati ottenuti, in termini di tempo di trasferimento e consumo di propellente, vengono infine confrontati con quelli analitici.
Abstract
In this degree thesis we tackle the mission analysis and the design of a mini-spacecraft with electric propulsion.
In detail, the mini-spacecraft utilize a Hall Effect thruster in devolopment phase to CENTROSPAZIO/ALTA of Pisa. As this engine produce a small thrust, the trajectory by the spacecraft followed will be a slow spiral and this allow the Van Allen Belts exploration.
We design every subsystem of the spacecraft utilizing, if possible, aerospace components with a minimum impact, as regards mass and power. We make so the mass and power budgets of the spacecraft.
We determine besides a possible configuration of the spacecraft, characterizing also the arrangement of the some his components.
We study so analytically the mission, by the integral calculus of the motion equations, to whom we obtain the transfer duration and the propellent consumption.
The mission is besides simulated by the software STK, considering some possible strategys of the engine jet.
The results obtained, as regards transfer duration and propellent consumption, at last are compared with those analytical.
INDICE
1 Motivazioni ed obiettivi della tesi
. . . 11.1 Motivazioni della tesi . . . 1
1.2 Obiettivi della tesi . . . 2
1.3 Struttura della tesi . . . 3
2 Elementi di Propulsione spaziale
. . . 42.1 Generalità sulla propulsione spaziale . . . 5
2.2 Classificazione dei propulsori . . . 7
2.3 La propulsione chimica e nucleare . . . . . . 9
2.4 La propulsione elettrica . . . 11 2.4.1 Classificazione . . . 11 2.4.2 Caratteristiche generali . . . 17
3 Introduzione all’Astrodinamica
. . . 21 3.1 Introduzione . . . 21 3.2 Moto Kepleriano . . . 213.2.1 Equazione di moto di un satellite . . . 23
3.2.2 Elementi orbitali classici . . . 24
3.3 Moto non Kepleriano . . . 27
3.3.1 Introduzione . . . 27
3.3.2 Perturbazioni orbitali . . . 28
4 Caratterizzazione della missione
. . . 354.1 Introduzione . . . 35
4.2 Le Fasce di Van Allen . . . 35
4.2.1 Introduzione . . . 35
4.2.2 Magnetosfera . . . 36
4.2.3 Struttura delle Fasce di Van Allen . . . 38
4.2.4 I modelli standard . . . 40
4.3 Obiettivi della missione . . . 44
4.4 Requisiti della missione . . . 45
5 Analisi del trasferimento orbitale
. . . 475.1 Introduzione . . . 47
5.2 Il trasferimento a bassa spinta . . . 49
5.2.1 Modello di Edelbaum . . . 49
5.2.2 Modello analitico di trasferimento orbitale . . . 50
6 Dimensionamento del satellite
. . . 546.1 Introduzione . . . 55
6.2 Diagnostica . . . 55
6.2.1 Introduzione . . . 55
6.2.2 Scheda elettronica . . . 55
6.2.3 Pacchetto diagnostico propulsione elettrica . . . 57
6.3 Il sottosistema di propulsione . . . 58
6.3.1 Introduzione . . . 58
6.3.2 Il motore ad Effetto Hall . . . 58
6.3.3 PPU . . . 60
6.3.4 Serbatoio . . . 60
6.3.5 Linee, valvole, conodotti . . . 61
6.4 Il sottosistema di controllo e determinazione d’assetto . . . 62
6.4.1 Introduzione . . . 62
6.4.2 Le coppie di disturbo . . . 62
6.4.3 Strategie di controllo . . . 71
6.4.4 Stabilizzazione a tre assi . . . 73
6.4.5 Scelta della componentistica . . . . 77
6.5 Il sottosistema di potenza . . . 81
6.5.1 Introduzione . . . 81
6.5.2 Le celle solari . . . 84
6.5.3 Pannelli solari . . . 89
6.5.4 Batterie . . . 93
6.5.5 Controllo e regolazione della potenza . . . 97
6.5.6 Distribuzione della potenza . . . 99
6.6 Il sottosistema di comunicazione . . . 100
6.6.1 Introduzione . . . 100
6.6.2 Architetture di comunicazione . . . 101
6.6.3 Composizione dell’apparato di comunicazione . . . 102
6.6.4 Bilancio di collegamento . . . 104
6.6.5 Risultati del bilancio di collegamento . . . 112
6.6.6 Componentistica . . . 114
6.7 Il sottosistema di comando e gestione dati . . . 115
6.7.1 Introduzione . . . 115
6.7.3 Stima del sottosistema C&DH . . . 118
6.8 Struttura del satellite e meccanismi . . . 120
6.8.1 Introduzione . . . 120
6.8.2 Requisiti strutturali . . . 120
6.8.3 Requisiti imposti dai lanciatori . . . 122
6.8.4 Dimensionamento preliminare della struttura . . . 124
6.8.5 Meccanismi . . . .129
6.9 Il sottosistema di controllo termico . . . 130
6.9.1 Introduzione . . . 130
6.9.2 Sorgenti di calore . . . 131
6.9.3 Intervalli di temperatura . . . . 133
6.9.4 Individuazione delle modalità di controllo termico . . . 135
7 Bilancio di massa e di potenza
. . . 1377.1 Introduzione . . . 137
7.2 Bilancio di massa e di potenza . . . 138
8 Configurazione del satellite
. . . 1488.1 Possibile configurazione del satellite . . . 148
9 Risultati del modello analitico
. . . 1539.1 Introduzione . . . 153
9.2 Analisi dei risultati . . . 153
10 Risultati della simulazione
. . . 15710.1 Introduzione . . . 157
10.2 Risultati della simulazione . . . 158
10.3 Confronto risultati analitici - risultati simulazione . . . 168
11 Conclusioni e sviluppi futuri
. . . 16911.1 Conclusioni . . . 169
11.2 Sviluppi futuri . . . 172
Bibliografia
. . . 173Elenco delle Figure
1.1 Il vettore con a bordo SMART-1 . . . . . . . 1
1.2 Flusso logico della tesi . . . 4
2.1 Schema di un resistogetto . . . 12
2.2 Foto e particolare schematico di un arcogetto . . . 12
2.3 Schema di un propulsore FEEP . . . 13
2.4 Schema di un propulsore a bombardamento elettronico . . . 14
2.5 Schema di un propulsore MPD . . . 15
2.6 Schema di un propulsore SPT . . . 16
2.7 Confronto tra un motore SPT e un propulsore TAL . . . 17
2.8 Ricerca dell’impulso specifico ottimale . . . 19
2.9 Potenza richiesta in funzione dell’impulso specifico . . . 20
2.10 Efficienza in funzione dell’impulso specifico . . . 20
3.1 Elementi orbitali classici . . . 25
3.2 Elementi orbitali classici sul piano . . . 26
3.3 Variazione periodica e secolare di un parametro orbitale . . . 28
3.4 Effetto di J2 . . . 30
3.5 Esempio di decadimento orbitale . . . 34
4.1 Regioni della magnetosfera . . . 37
4.2 Influenza del vento solare sulla magnetosfera terrestre . . . 37
4.3 Rappresentazione del moto composto delle particelle cariche intrappolate nel campo magnetico terrestre . . . 38
4.4 Le due fasce di Van Allen . . . 39
4.5 Curve di livello del flusso di protoni in attività solare minima . . . . 41
4.6 Curve di livello del flusso di protoni in attività solare massima . . . 41
4.7 Curve di livello del flusso di elettroni in attività solare minima . . . 42
4.8 Curve di livello del flusso di elettroni in attività solare massima . . 42
4.9 Flusso di elettroni generato dal modello AE-8 . . . 43
4.10 Flusso di protoni generato dal modello AP-8 . . . 43
6.1 Scheda elettronica . . . 55
6.2 Pacchetto diagnostico propulsione elettrica . . . 57
6.3 Prototipo XHT-100 e suo sparo . . . 58
6.4 Schematizzazione del campo magnetico terrestre . . . 64
6.5 Ciclo solare . . . 66
6.6 Densità al variare dell’attività solare e della quota . . . 67
6.7 Schematizzazione del satellite . . . 73
6.8 Coppie al variare della quota . . . 75
6.10 Sensore di Sole (AeroAstro) . . . 78
6.11 Sensore di Stelle (Altair HB) . . . 78
6.12 Resistogetto XRJ-50 . . . 79
6.13 Funzioni del sottosistema di potenza . . . 82
6.14 Struttura di una cella a tripla giunzione . . . 85
6.15 Cella a tripla giunzione . . . 87
6.16 Caratteristica I-V della cella GaInP2/GaAs/Ge . . . 87
6.17 Schematizzazione dell’eclissi . . . 89
6.18 Funzionamento batteria Litio-ioni . . . 93
6.19 Diagramma Cicli-Profondità di scarica (DOD) . . . 95
6.20 Schematizzazione tecnica di regolazione della potenza con PPT . 97 6.21 Architettura di comunicazione Geostazionaria . . . 101
6.22 Architettura di comunicazione Ricevi-Invia . . . 102
6.23 Architettura di comunicazione Money . . . 103
6.24 Schematizzazione apparato di comunicazione . . . 104
6.25 Geometria angolo di vista . . . 107
6.26 Arco spazzato al variare della quota . . . 108
6.27 Comuni tecniche di modulazione per satellite . . . 110
6.28 BER in funzione delle tecniche di modulazione . . . 111
6.29 Stati tipici di lavoro di un calcolatore di bordo . . . 115
6.30 Tipica architettura centralizzata . . . 116
6.31 Tipica architettura ad anello . . . 117
6.32 Tipica architettura ad anello distribuita . . . 117
6.33 Alcuni inviluppi dei lanciatori . . . 121
6.34 Il lanciatore Vega . . . 122
6.35 Struttura del corpo del satellite . . . 124
6.36 Pannello irrigidito . . . 125
6.37 Attacco pannello solare al corpo del satellite . . . 127
6.38 1° elemento dell’attacco . . . 127
6.39 2° elemento dell’attacco . . . 128
6.40 Tipico ambiente termico . . . 131
6.41 Corpo del satellite ricoperto con MLI . . . 135
7.1 Ripartizione Massa iniziale del satellite . . . 143
7.2 Ripartizione Massa a secco del satellite . . . 144
7.3 Ripartizione propellente per la missione . . . 145
7.4 Ripartizione della potenza assorbita (in illuminazione) . . . 147
8.1 Disposizione dei resistogetti . . . 149
8.2 Satellite con pannelli dispiegati . . . 150
8.3 Satellite con pannelli ripiegati . . . 151
8.4 Disposizione componenti interni del satellite . . . 151
9.1 Parametri a0 e Vj . . . 154
9.2 Tempo di trasferimento . . . 155
9.3 Consumo di propellente . . . 156
10.1 Satellite in eclissi: il motore è spento . . . 157
10.2 Tempo di trasferimento . . . 158
10.3 Consumo di propellente . . . 159
10.4 Vista polare della traiettoria del satellite . . . 160
10.5 Traccia del satellite . . . 160
10.6 Vista equatoriale della traiettoria del satellite . . . 161
10.7 Satellite in orbita attorno alla Terra . . . 161
10.8 Tempo di trasferimento . . . 162
10.9 Consumo di propellente . . . 163
10.10 Vista polare della traiettoria del satellite . . . 164
10.11 Tempo di trasferimento . . . 165
10.12 Consumo di propellente . . . 165
10.13 Vista polare della traiettoria del satellite . . . 167
Elenco delle Tabelle
2.1 Valori dell’incremento di velocità ΔV tipici di alcune missioni . . . 6
2.2 Propulsori chimici . . . 8
2.3 Propulsori nucleari . . . 8
2.4 Propulsori elettrici . . . 8
2.5 Valori dell’impulso specifico per propulsori chimici . . . 10
5.1 Caratteristiche metodi di trasferimento orbitale . . . 48
6.1 Tecniche di controllo . . . 71
6.2 Orbita bassa (800 km) . . . 76
6.3 Orbita alta (18000 km) . . . 76
6.4 Masse e potenze dei componenti . . . 80
6.5 Comparazione tra le sorgenti di potenza elettrica più comuni . . . . 83
6.6 Degradazioni di una cella solare . . . 86
6.7 Caratteristiche celle fotovoltaiche . . . 86
6.8 Prestazioni della cella GaInP2/GaAs/Ge . . . 89
6.9 Dati eclissi . . . 90
6.10 Dati batteria Litio-ioni . . . 94
6.11 Requisiti del sottosistema di comunicazione . . . 104
6.12 Limitazioni sulle frequenze delle bande . . . 105
6.13 Risultati angolo di vista . . . 107
6.14 Vantaggi e svantaggi di alcune tecniche di modulazione . . . 111
6.15 Bilancio di collegamento in orbita alta (18000 km) . . . 112
6.16 Bilancio di collegamento in orbita bassa (800 km) . . . 113
6.17 Caratteristiche del sottosistema di comunicazione . . . 114
6.18 Pesi [kg] sottosistema C&DH . . . 118
6.19 Potenze nominali [W] sottosistema C&DH . . . 118
6.20 Dimensioni [cm³] sottosistema C&DH . . . 118
6.21 Requisiti strutturali . . . 120
6.22 Frequenze fondamentali imposte da alcuni lanciatori . . . 123
6.23 Albedo e IR (dati NASA) . . . 132
6.24 Temperature operative dei vari componenti . . . 134
7.1 Bilancio di massa e potenza per la diagnostica . . . 138
7.2 Bilancio di massa e potenza per il sottosistema di propulsione . . . 139
7.3 Bilancio di massa e potenza per il sottosistema di determinazione e controllo d’assetto . . . 139
7.5 Bilancio di massa e potenza per il sottosistema di
comunicazione . . . 140
7.6 Bilancio di massa e potenza per il sottosistema di comando e gestione dati . . . 141
7.7 Bilancio di massa e potenza per le strutture ed i meccanismi . . . 141
7.8 Bilancio di massa e potenza per il sottosistema di controllo Termico . . . 141
7.9 Bilancio di massa per l’intero satellite . . . 142
7.10 Bilancio di potenza per l’intero satellite . . . 146
8.1 Accensione motori per fornire la coppia desiderata . . . 149
10.1 Confronto risultati . . . 168
11.1 Alcuni risultati del dimensionamento (masse) . . . 169
11.2 Alcuni risultati del dimensionamento (potenze) . . . 170
11.3 Risultati modello analitico . . . 170
11.4 Risultati delle simulazioni . . . 170
