6. Conclusioni e sviluppi futuri
6.1 Conclusioni
Nel corso della presente tesi si è sviluppato un simulatore di stato di sottosistemi di veicoli spaziali. Il simulatore attualmente disponibile simula il sottosistema di gestione di potenza e di energia elettrica presente a bordo del veicolo spaziale. Il crescente interesse verso la propulsione elettrica e verso missioni basate su essa richiede strumenti di previsione adeguati per ridurre al minimo imprevisti durante la missione: il simulatore VM-Orbit in particolare si propone come strumento utile per la previsione dell’energia elettrica e potenza disponibile a bordo; e al tempo stesso strumento utile per la gestione di essa, allocando l’energia elettrica fra i diversi sistemi di bordo.
Il simulatore necessita di un propagatore orbitale per conoscere ad ogni istante la posizione dello S/C rispetto al pianeta Terra, Sole e Luna. Il propagatore orbitale con cui il simulatore si interfaccia è il D-Orbit, sviluppato presso Alta SpA. Il volume di dati generato dal propagatore potrebbe essere non facilmente gestibile, e quindi è stato necessario inglobare parte del D-Orbit nel VM-Orbit per permettere uno scambio diretto di dati, utilizzando lo stesso codice di programmazione (Matlab®), nel minor tempo possibile, riducendo in questo modo i tempi di simulazione. La propagazione orbitale, e quindi la simulazione, necessita di dati inseriti dall’utente: è stato necessario uno studio approfondito delle caratteristiche di interfaccia grafica che il software Matlab® propone. Il simulatore VM-Orbit dispone di una interfaccia grafica intuitiva, rendendo la fase di inserimento dei dati semplice; e al tempo stesso l’interfaccia grafica guida l’utente verso scelte non conflittuali tra loro che potrebbero non portare a termine la simulazione o fornire valori dei parametri molto differenti da quelli attesi.
Riconosciuta l’affidabilità del propagatore D-Orbit ed avendo identificato i suoi limiti, nel simulatore è prevista la possibilità di impostare strategie di
permette ad esempio di impostare una legge di spinta su uno o più archi o su intera orbita impostando una variazione (attualmente solo lineare) dei parametri legati al sottosistema propulsivo: direzione e modulo del vettore di spinta e impulso specifico.
Il propagatore D-Orbit simula la missione considerando il veicolo spaziale come un punto materiale; la peculiarità del simulatore oggetto di questo lavoro è quella di considerare il veicolo composto da sottosistemi il cui funzionamento è legato alla posizione dello S/C sulla sua orbita. I sistemi simulati sono quelli legati alla gestione della potenza elettrica (sottosistema di generazione di potenza e sottosistema di accumulo di energia elettrica): la scelta è dettata dal fatto che la propulsione elettrica ha un notevole impatto sull’utilizzo dell’energia elettrica disponibile a bordo.
Scelto il processo fotovoltaico come metodologia di generazione di potenza a bordo, il modello implementato per simulare il sottosistema tiene conto della disposizione dei pannelli solari rispetto alla direzione della radiazione solare incidente su essi e valuta istante per istante il valore di potenza elettrica generata a quindi disponibile. La simulazione permette, in base alle scelte effettuate dall’utente, anche la previsione della potenza generata a fine vita dai pannelli solari in quanto il modello del sottosistema ingloba l’effetto della degradazione delle prestazioni delle celle solari di cui il pannello è provvisto.
Il modello del sottosistema di immagazzinamento dell’energia elettrica consiste in una batteria composta da un certo numero di celle in serie o in parallelo. E’ possibile selezionare un modello di batteria disponibile in commercio, le cui caratteristiche sono presenti nel simulatore, o inserire dati di una batteria definita dall’utente stesso.
E’ presente anche un modello del sottosistema propulsivo che lega lo stato acceso/spento, la spinta e impulso specifico e rendimento propulsivo con la potenza necessaria al suo funzionamento: potenza aggiuntiva rispetto al valore
VM-Orbit simula la missione e fornisce una previsione dello stato (acceso/spento, livello di energia, profondità di scarica, potenza elettrica richiesta e disponibile) dei vari sottosistemi presenti a bordo; inoltre, a differenza di un semplice simulatore, esso permette di gestire l’energia in base a leggi di controllo stabilite dall’utente: quindi esso interviene attivamente nella missione modificandola se fosse necessario.
La sessione di lavoro termina con la visualizzazione di grafici delle grandezze caratteristiche dei sottosistemi simulati; tramite l’interfaccia grafica è anche possibile creare un foglio di lavoro, in ambiente Excel, che consente di gestire analiticamente i valori ottenuti dalla simulazione.
6.2 Sviluppi futuri
Sviluppi futuri possono riguardare:
modifica ai modelli dei sottosistemi attualmente simulati; simulazione di altri sottosistemi;
modifiche al codice del simulatore.
6.2.1 Modifica ai modelli dei sottosistemi attualmente simulati
Il modello del sottosistema di gestione della potenza elettrica è un modello molto semplificativo: il simulatore non tiene conto del tipo di celle solari installate sul pannello se non attraverso il valore dell’rendimento inserito dall’utente; nel calcolo del livello di degradazione dei pannelli solari non si tiene conto del tipo di missione oggetto della simulazione, ovvero non si tiene conto del tipo di orbita: LEO o GTO ad esempio, le quali presentano livelli di degradazioni differenti in base al tempo di permanenza in zone ad alta radiazione quali le Fasce di Van Allen. Il modello che descrive il sottosistema di immagazzinamento dell’energia elettrica è un modello semplificato in cui non si tiene conto dell’effettivo comportamento della cella durante la fase di
carica o scarica. L’assenza di un modello per il regolatore di potenza fa si che il livello di voltaggio sia costante e sempre pari al valore iniziale.
6.2.2 Simulazione di altri sottosistemi
Il veicolo spaziale generalmente è composto da:
Sottosistema di gestione di potenza elettrica; Meccanismi;
Sottosistema di controllo d’assetto; Sottosistema di controllo termico;
Sottosistema di telemetria e telecomando; Sottosistema propulsivo.
Fondamentale importanza ha la scelta dei prossimi sottosistemi da simulare, in quanto da alcuni di essi dipendono direttamente parametri già presenti nel simulatore: il sottosistema di controllo d’assetto, sottosistema di telemetria e telecomando. L’implementazione del sistema di controllo d’assetto (ADCS) permette di svincolare l’assetto dello S/C dalla posizione assunta sull’orbita, come attualmente è; ed inoltre permette di aggiungere informazioni più dettagliate sulla potenza da esso assorbita durante rotazioni per puntamento o correzioni orbitali. La modellazione del sottosistema di telecomando e telemetria permette di caratterizzare meglio la potenza richiesta per trasmissioni di dati: potenza richiesta non trascurabile per satelliti per telecomunicazione o per scopi di osservazione. La modellazione del sottosistema di controllo termico, legato alla modifica al simulatore che permette di stabilire un transitorio in zona d’ombra tra eclissi e vista, permette di prevedere con più accuratezza la potenza prodotta dai pannelli solari in tutte le fasi della missione.
6.2.3 Modifiche al codice del simulatore
Le modifiche al codice del simulatore sono necessarie per ottimizzare ancor più la velocità di scambio di dati tra il VM-Orbit e il D-Orbit: attualmente con un processore Intel Duo T9300 con 3GB di memoria, il simulatore necessita di circa 10 minuti per effettuare la simulazione di 1 giorno di missione con = 60 .
Ulteriori modifiche all’interfaccia grafica saranno apportate con l’aggiunta di nuovi sottosistemi da simulare, sia per la fase di inserimento di dati, sia per la visualizzazione di nuovi grafici.
I risultati delle simulazioni sono in accordo con i modelli implementati; le condizioni imposte al sistema di gestione di energia effettivamente modificano il profilo di missione intervenendo sul sistema propulsivo come atteso; pertanto si può considerare raggiunto l’obiettivo dello studio.
