TESI DI LAUREA
IN
INGEGNERIA AEROSPAZIALE
INDIRIZZO SPAZIALE
SVILUPPO E VALIDAZIONE
DI UN SIMULATORE DI VEICOLO SPAZIALE
PROVVISTO DI PROPULSIONE ELETTRICA
Candidato Vittorio Magaletti Relatori Prof.Ing.S.Marcuccio Prof.Ing.M.Andrenucci Anno Accademico 2007-2008 T230
Università degli studi di Pisa Facoltà di Ingegneria
Tesi di laurea in Ingegneria Aerospaziale
SVILUPPO E VALIDAZIONE
DI UN SIMULATORE DI VEICOLO SPAZIALE
PROVVISTO DI PROPULSIONE ELETTRICA
Candidato Vittorio Magaletti
Relatori
Prof.Ing.S.Marcuccio Prof.Ing.M.Andrenucci
Sommario
L’esperienza, i successi e i fallimenti accumulati nel corso delle missioni spaziali degli ultimi decenni hanno reso evidenti i limiti dei tradizionali sistemi di propulsione chimica per le manovre orbitali. Nel corso degli ultimi 15 anni, l’interesse dei produttori di satelliti si è spostato sempre più verso la propulsione elettrica per l’esecuzione di manovre di trasferimento e di mantenimento orbitale. L’uso di propulsione elettrica, normalmente attiva per periodi molto prolungati, pone vincoli stringenti sulla disponibilità di energia elettrica per gli altri sistemi di bordo, con un notevole impatto sul profilo operativo della missione.
Il lavoro svolto è mirato allo sviluppo e alla validazione di un codice di simulazione per veicoli spaziali provvisti di propulsione elettrica capace di valutare l’allocazione di energia e potenza elettrica fra i diversi sottosistemi di bordo e di intervenire di conseguenza sulle strategie di attivazione del sistema di propulsione e dei carichi utili. Il simulatore, scritto in ambiente Matlab, sfrutta per quel che concerne la fase di propagazione orbitale il propagatore D-Orbit, sviluppato presso Alta SpA. Lo sviluppo del simulatore è stato preceduto da una accurata valutazione delle prestazioni del propagatore, di cui sono state evidenziate le caratteristiche salienti, l’affidabilità e il grado di precisione dei dati in uscita.
Dopo la fase di concezione complessiva, lo sviluppo del simulatore si è concretizzato nella definizione dettagliata e successiva implementazione della struttura della simulazione e dell’interfaccia utente; successivamente sono stati approntati modelli realistici del sottosistema di gestione dell’energia elettrica e del sistema propulsivo e descrizioni sommarie degli altri sottosistemi di bordo. Il lavoro si conclude con alcuni esempi di simulazione di scenari operativi, rivelando significative differenze tra casi analitici idealizzati e i risultati della simulazione effettuata tenendo conto dei vincoli imposti dalla gestione dell’energia disponibile a bordo.
Abstract
The experience, the achievements and the failures in space missions in last decades showed the limits of the traditional systems of chemical propulsion for orbital maneuvers. During last 15 years, the interests of the satellite manufacturers moved more and more toward to the electric propulsion to realize transfer maneuvers and station keeping. Electric propulsion is usually activated for long time and it fixes strong constrains on the availability of electric energy for other systems on board, with deep impact on mission profile.
The carried out work aims to develop and test out a code for simulation of spacecraft equipped with electric propulsion; the code is able to check the levels of electrical power and energy among the subsystems on board, and therefore it’s able to act on strategies of switching of subsystems of propulsion and payloads.
The simulator code is written using Matlab® and it uses the orbital propagator D-Orbit, developed by Alta SpA, to propagate the mission. The development of simulator was preceded by an accurate study of the performances of the propagator of which it was underlined the most important features, the reliability and the grade of precision of the output.
After the first overall design phase, the development of the simulator led to a detailed definition and following implementation of the simulation structure and user interface; then realistic models of the power management subsystem and propulsion subsystem were created, while summary descriptions were made for others subsystems on board. The work ends with some examples of simulation of operative scenarios revealing significant differences between ideal analytical cases and results obtained imposing constrains on the electrical energy available on board.
