Indice
1. INTRODUZIONE ... 1
1.1 AMBITO DELLA TESI E MOTIVAZIONI ... 1
1.2 RECENTI SUCCESSI ... 3
1.2.1 L’odissea del satellite Artemis ... 3
1.2.2. La missione SMART-1... 4
1.3 OBIETTIVI DELLA TESI ... 6
1.4 STRUTTURA DELLA TESI ... 7
2. IL PROPAGATORE D-ORBIT ... 11
2.1 LE MISSIONI SPAZIALI... 11
2.2 IL PROPAGATOREDREAMORBIT ... 14
2.3 D-ORBIT: MODELLAZIONE E IPOTESI ... 16
2.3.1 Metodi numerici ... 16
2.3.2 Sistemi di riferimento ... 18
2.3.3 Unità canoniche ... 20
2.3.4 Tempo e data giuliana (JD) ... 21
2.3.5 Effemeridi... 22
2.3.6 Definizione di spinta e suoi sistemi di riferimento ... 23
2.3.7 Perturbazione dovuta a terzo corpo... 24
2.3.8 Perturbazione dovuta a non perfetta sfericità della terra ... 24
2.3.9 Resistenza atmosferica ... 26
2.3.10 Perturbazione dovuta a pressione di radiazione solare ... 27
2.3.11 Eclissi... 28
2.4 D-ORBIT: PROVE ... 29
2.4.1 Prova 1: orbita circolare con propulsori spenti ... 30
2.4.2 Prova 2: orbita ellittica con propulsore spento ... 32
2.4.3 Prova 3: orbita elio-sincrona ed effetto perturbativo
J
2 ... 332.4.4 Prova 4: calcolo del v e del propellente consumato ... 35
3. IL SIMULATORE VM-ORBIT ... 39
3.1 GENERALITÀ ... 39
3.2 REQUISITI ... 39
3.3 LAFASE1 ... 40
3.3.1 Tipo di spinta (costante o variabile) ... 41
3.3.1.1 Leggi di variazione ... 42
3.4 LA FASE2 ... 43
3.4.1 Inserimento parametri orbitali ... 45
3.4.2 Inserimento parametri della simulazione ... 45
3.5 LA FASE3 ... 45
3.6 SESSIONE“CONTROL” ... 47
3.7 PULSANTE“START SIMULATION” ... 49
3.8 SESSIONE“POSTPROCESSING” ... 52
3.8.1 “Data Matrix”... 53
3.8.2 “Graphs” ... 54
3.8.3 “Orbital Elements” ... 56
3.8.4 “Variable Thrusting Mode” ... 56
3.8.5 “Other Parameters” ... 56
4. SIMULAZIONE DEI SOTTOSISTEMI... 57
4.1 INTRODUZIONE ... 57
4.2 SOTTOSISTEMA DI GESTIONE DI POTENZA ELETTRICA ... 58
4.2.1 Regolatore di potenza ... 59
4.2.2 Sottosistema di generazione di potenza elettrica ... 60
4.2.3 Missioni a bassa spinta e potenza richiesta ... 61
4.3 SOTTOSISTEMA DI GENERAZIONE DI POTENZA(PGS) ... 63
4.3.1 Modellazione del sottosistema ... 64
4.3.1.1 Potenza massima richiesta... 64
4.3.1.2 Rendimento e degradazione ... 66
4.3.1.3 Potenza generata a BOL e EOL ... 67
4.3.2 L’interfaccia grafica ... 68
4.4 SOTTOSISTEMA DI ASSETTO ... 70
4.5 SOTTOSISTEMA DI IMMAGAZZINAMENTO DI ENERGIA ... 70
4.5.1 Batterie agli ioni di litio ... 71
4.5.2 Modellazione e simulazione del sottosistema ... 72
4.5.2.1 Calcolo dell’energia nella batteria (veicolo in vista) ... 74
4.5.2.2 Calcolo dell’energia nella batteria (veicolo in eclissi)... 74
4.5.3 L’interfaccia grafica ... 75
4.6 SOTTOSISTEMA PROPULSIVO... 76
4.6.1 L’interfacci grafica ... 78
5. VALIDAZIONE ... 81
5.1 INTRODUZIONE ... 81
5.2 PROVA1 ... 81
5.2.1 Descrizione della prova ... 81
5.2.2 Ipotesi e dati relativi alla parte 1 della prova 1 ... 82
5.2.2.1 Risultati attesi ... 85
5.2.2.2 Conclusioni parte 1 prova 1 ... 86
5.2.3 Ipotesi e dati relativi alla parte 2 della prova ... 86
5.2.4 Risultati della simulazione ... 88
5.2.4.1 Orbita alba-crepuscolo... 88
5.2.4.2 Orbita mezzogiorno-mezzanotte ... 91
5.2.5 Conclusioni sulla prova 1 ... 95
5.3 PROVA2 ... 96
5.3.1 Descrizione della prova ... 96
5.3.2 L’algoritmo del Kechichian ... 96
5.3.3 Missione ideale: approccio analitico ... 99
5.3.4 Missione con approccio cautelativo ... 101
5.3.5 Missione realistica ... 103
5.3.5.1 Scelta dell’accelerazione ... 103
5.3.5.2 Dati della missione ... 105
5.3.5.3 Caratteristiche della missione... 105
5.3.6 Grafici della simulazione per i 3 approcci ... 106
5.3.6.1 Grafico dell’energia ... 107
5.3.6.2 Grafico della potenza ... 109
5.3.7 Conclusioni ... 110
6. CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI ... 113
6.1 CONCLUSIONI ... 113
6.2 SVILUPPI FUTURI ... 115
6.2.1 Modifica ai modelli dei sottosistemi attualmente simulati ... 115
6.2.2 Simulazione di altri sottosistemi ... 116
6.2.3 Modifiche al codice del simulatore ... 117
APPENDICE A ... 119
A.1 PROVA1: ORBITA CIRCOLARE CON PROPULSORI SPENTI ... 119
A.2 PROVA2: PROVA ELLITTICA CON PROPULSORI SPENTI ... 122
A.3 PROVA3: ORBITA ELIO-SINCRONA ... 124
A.4 PROVA4: CALCOLO DEL V E DEL PROPELLENTE CONSUMATO ... 125
APPENDICE B ... 129
B.1 INTRODUZIONE... 129
B.2 GRAFICO DELLA GESTIONE DEL PROPULSORE ... 129
B.3 GRAFICO DELL’INCLINAZIONE ... 132
BIBLIOGRAFIA ... 135
LISTA DEGLI ACRONIMI E ABBREVIAZIONI ... 139
Indice delle figure
Figura 1-1 : satellite Artemis ... 3
Figura 1-2 : satellite SMART-1 ... 5
Figura 2-1 : principali tipi di orbite ... 13
Figura 2-2 : DreamOrbit ... 14
Figura 2-3 : scambio di dati e funzioni principali... 15
Figura 2-4 : sistema di riferimento geocentrico-equatoriale ed elementi orbitali ... 19
Figura 2-5 : sistema di riferimento perifocale ... 20
Figura 2-6 : sistema di riferimento per il vettore spinta ... 23
Figura 2-7 : punti stabili e instabili per l'accelerazione di deriva longitudinale ... 26
Figura 2-8 : vettori per la determinazione dello stato di eclissi ... 28
Figura 2-9 : coppia inclinazione-quota per condizione di eliosincronia ... 34
Figura 3-1: interfaccia grafica per la phase1 ... 41
Figura 3-2: interfaccia per inserimento grandezze variabili nel tempo ... 42
Figura 3-3: interfaccia grafica per la fase 2... 43
Figura 3-4 : parametri gestiti dalla finestra "Orbital Parameters" ... 45
Figura 3-5 : parametri gestiti dalla finestra "Simulation Parameters" ... 46
Figura 3-6: gestione del propulsione in base alla strategia e all’eclissi ... 47
Figura 3-7: interfaccia grafica per accedere alla phase 3 ... 48
Figura 3-8: relazione tra Phase 1 e Phase 3 e tipo di chiamata al D-Orbit ... 49
Figura 3-9: le 3 fasi e loro principali funzioni ... 50
Figura 3-10: funzioni svolte tra passi di simulazione successivi ... 51
Figura 3-11 : flusso di informazioni utente-simulatore-propagatore ... 52
Figura 3-12: interfaccia grafica della sessione "Postprocessing" ... 53
Figura 3-13: grafico propulsore on/off in funzione dell'anomalia vera e del tempo ... 55
Figura 4-1 : rendimento del propulsore elettrico ... 62
Figura 4-2 : rendimento delle celle in funzione della temperatura di utilizzo ... 64
Figura 4-3 : interfaccia grafica relativa al Power Management Subsystem ... 69
Figura 4-4 : parametri gestiti dall'interfaccia grafica per il sottosistema di generazione di potenza elettrica. ... 70
Figura 4-5 : diagramma di flusso per il calcolo del livello di energia elettrica nella batteria .... 73
Figura 4-6 : pannello relativo all'ESS ... 75
Figura 4-7 : parametri gestiti dall'interfaccia grafica per l’EES ... 76
Figura 4-8: schema semplificato del funzionamento di un propulsore elettrico ... 77
Figura 4-9 : parametri gestiti dall'interfaccia grafica per il sottosistema propulsivo ... 78
Figura 4-10 : interfaccia grafica relativa al sottosistema propulsivo ... 78
Figura 5-1 : versore normale al pannello solare diretto lungo il vettore velocità ... 82
Figura 5-2 : versore normale al pannello solare diretto lungo il Nadir ... 83
Figura 5-3 : versore normale al pannello solare uscente dal piano orbitale ... 83
Figura 5-4 : orbita prova 1 per verifica del modello (vista 3D) ... 85
Figura 5-5 : orbita prova 1 per verifica del modello (vista piano x-z e y-z) ... 85
Figura 5-6 : potenza generata dal pannello solare con versore normale diretto lungo v per orbita 6-18 ... 89
Figura 5-7 : potenza generata dal pannello solare con versore normale diretto lungo il Nadir per orbita 6-18 ... 89
Figura 5-8 : potenza generata dal pannello solare con versore normale diretto fuori dal piano
orbitale per orbita 6-18 ... 90
Figura 5-9 : energia elettrica presente nelle batterie per orbita 6-18 ... 91
Figura 5-10: orbita 12-24, vista 3D e x-y... 92
Figura 5-11 : potenza generata su orbita 12-24 caso 1... 92
Figura 5-12 : energia elettrica disponibile nelle batterie su orbita 12-24 caso 1 ... 93
Figura 5-13 : potenza generata su orbita 12-24 caso 2... 93
Figura 5-14 : energia elettrica disponibile nelle batterie su orbita 12-24 caso 2 ... 94
Figura 5-15 : potenza generata su orbita 12-24 caso 3... 94
Figura 5-16 : energia elettrica disponibile nelle batterie su orbita 12-24 caso 3 ... 95
Figura 5-17 : vettore spinta e sue componenti sul piano e fuori dal piano orbitale ... 98
Figura 5-18 : andamento del semiasse maggiore per l'esempio del Kechichian ... 100
Figura 5-19 : andamento della velocità per l'esempio del Kechichian ... 100
Figura 5-20 : andamento dell'inclinazione i per l'esempio del Kechichian ... 101
Figura 5-21 : andamento del semiasse maggiore con comando imposto al propulsore ... 102
Figura 5-22 : ingrandimento dell'andamento del semiasse maggiore nell'intorno della data di fine missione (durata missione: 16524864s) ... 102
Figura 5-23 : propulsore ALTA HT-100 ... 104
Figura 5-24 : logica della gestione del sottosistema propulsivo imponendo un valore minimo ammissibile (pari al 90% del livello massimo di energia) all’energia elettrica disponibile nelle batterie. ... 106
Figura 5-25: energia presente nelle batterie per l’approccio analitico ... 107
Figura 5-26 : energia presente nelle batterie per l'approccio cautelativo ... 108
Figura 5-27 : energia presente nelle batterie per l'approccio realistico ... 108
Figura 5-28 : potenza generata nel caso di approccio analitico ... 109
Figura 5-29 : potenza generata nel caso di approccio cautelativo ... 109
Figura 5-30 : potenza generata nel caso di approccio realistico ... 110
Figura 5-31 : variazione del semiasse maggiore per missione con approccio analitico ... 111
Figura 5-32 : variazione del semiasse maggiore per missione realistica ... 112
Indice delle tabelle
Tabella 1-1 : confronto tra propulsione elettrica e chimica ... 5
Tabella 4-1 : confronto tra differenti processi di generazione di potenza elettrica ... 60
Tabella 4-2 : immagine e caratteristiche della batteria VES ... 72
Tabella 5-1 : dati propulsore ALTA HT-100 ... 103
