1. Introduzione
1.1 Ambito della tesi e motivazioni
L’analisi di missione e la progettazione di un veicolo spaziale sono processi creativi che prevedono sin dalle prime fasi del loro sviluppo l’interazione di numerosi sistemi e l’effettuazione di scelte che influenzano fortemente lo sviluppo del progetto nel suo complesso. Queste assumono ancora maggior peso nel caso in cui la missione in esame preveda l’utilizzo di propulsione elettrica per i trasferimenti orbitali. Dati i lunghi tempi di trasferimento associati a questo tipo di propulsione la scelta di un profilo di missione e quindi di una strategia di sparo ottimale diventano fondamentali per stabilire la fattibilità della missione.
Per questi motivi lo sviluppo di un software che permetta, con buona approssimazione, di valutare lo stato di un satellite e di tutti i suoi sottosistemi sin dalle fasi preliminari del progetto è di indubbio vantaggio per il progettista che si trova così nella condizione di poter effettuare simulazioni sulla base delle assunzioni fatte e verificarne la bontà. Esistono già alcuni software commerciali o gratuiti che permettono di simulare l’orbita percorsa dal satellite ed il suo assetto ma si tratta di programmi molto vari in termini di flessibilità, utilità e funzionalità. Inoltre è raramente presente la possibilità di effettuare
simulazioni di missioni in condizioni di bassa spinta o di simulare lo stato dei sistemi di bordo. Quest’ultima possibilità è infatti di crescente interesse per la progettazione dei veicoli spaziali dando la possibilità di dimensionare i sottosistemi con criteri più stringenti che permettano risparmio di peso a bordo così da sfruttare al meglio i vantaggi che la propulsione elettrica offre in termini di riduzione della massa del propellente.
1.2 Obiettivo della tesi
In questo ambito il presente lavoro di tesi si è posto l’obiettivo di valutare l’andamento dell’assetto di un satellite soggetto a coppie di disturbo di varia natura e di collegare l’assetto stesso del satellite allo stato dei sottosistemi di bordo. Il compito di determinare l’evoluzione dell’orbita del satellite è stato affidato a “D-Orbit”, un propagatore orbitale sviluppato presso i laboratori di Alta S.p.a. di Pisa in grado di fornire posizione e velocità del satellite in ogni istante tenendo conto anche di eventuali forze perturbatrici.
L’importanza di un lavoro di questo tipo risiede nella possibilità di adattare di volta in volta il simulatore alla singola missione ed al singolo satellite in esame importandone geometria, massa e specifiche dei singoli sottosistemi restituendo all’utente, sin dalle prime fasi dell’analisi di missione, informazioni e grafici utili per confrontare le diverse soluzioni ipotizzate.
1.3 System Modelling and Simulation
L’importanza della modellizzazione dei sistemi e della simulazione sin dalle prima fasi della progettazione è riconosciuta tanto da giustificare la pubblicazione di un Memorandum Tecnico da parte della European Cooperation for Space Standardization che ne descrive il ruolo nelle diverse fasi della progettazione [1].
La modellizzazione dei sistemi e la simulazione ha numerosi potenziali usi lungo la vita di un programma spaziale come supporto alla progettazione e alle attività operative in attività quali:
• Analisi, definizione e validazione dei requisiti tecnici di sistema
• Validazione del raggiungimento delle prestazioni di alto livello richieste dal progetto
• Sviluppo dell’attrezzatura di supporto a terra e delle procedure di test • Supporto delle attività di test di unità e sottosistemi
• Previsione delle prestazioni di sistema
• Addestramento del personale operativo e del centro di controllo • Sviluppo e validazione delle procedure operative
• Analisi dei guasti (difetti ed anomalie) di sistema
L’uso della simulazione dei sistemi evolve dalla definizione dei requisiti, l’analisi ed il bilanciamento dei vari livelli del sistema attraverso l’integrazione di assieme fino alla verifica a livello di sistema e sottosistemi.
Figura 1.1 Legame tra sviluppo del progetto e simulazione
Il vantaggio chiave dell’utilizzo di un approccio integrato alla modellizzazione e alla simulazione sin dall’inizio di un progetto è quello di mantenere un “modello dinamico” del sistema inizialmente semplice e poi sempre più complesso durante la sua evoluzione.
Nel considerare l’utilizzo della modellizzazione e simulazione in maniera estensiva all’interno di un progetto è bene quindi ricordare le principali agevolazioni che queste comportano:
• Capacità di effettuare compromessi di progetto durante la progettazione dei sistemi
• Dimostrazione di potenzialità altrimenti impossibili da mostrare • Dimostrazioni e verifiche precoci prima che l’hardware sia disponibile • Esenzione dalla costruzione di prototipi
Va infine evidenziato come la simulazione nella progettazione sia supportata da un insieme di coerenti e crescenti test e architetture di simulazione dalla fase A alla fase E. Il cuore di queste simulazioni è un modello virtuale di sistema che rifletta le funzioni ed il comportamento del sistema completo che deve essere costruito, al livello richiesto per permettere le analisi e le verifiche necessarie. Questo modello virtuale può essere considerato parte della filosofia di progetto generale.
Figura 1.2
1.4 Struttura della tesi
Il resto del presente lavoro è organizzato come descritto qui di seguito.
Il Capitolo 2 fornisce una descrizione dettagliata del problema della dinamica orbitale e si occupa di spiegare l’importanza di uno strumento come il propagatore orbitale D-Orbit per lo studio di diverse strategie di missione.
Il Capitolo 3 affronta invece il problema della Dinamica d’assetto avendo cura di spiegare le basi fisiche e matematiche del problema nonché di elencare tutti gli aspetti curati per la creazione del programma frutto del lavoro di tesi.
Il Capitolo 4 si occupa invece di fornire alcune nozioni sulla propagazione numerica e sui metodi numerici utilizzati per la risoluzione dei problemi legati alla Dinamica d’assetto.
Il Capitolo 5 prende in esame i singoli sottosistemi introdotti nel software di simulazione elencando le principali caratteristiche che li distinguono e che influenzano le scelte del progettista. Parte del lavoro riportato in questo capitolo è frutto di una attività di tesi precedentemente effettuata che trascurava però le variazioni di assetto nel calcolo dello stato dei sottosistemi.
Il Capitolo 6 è dedicato alla verifica e validazione del software riportando alcune delle simulazioni effettuate e discutendone i risultati.
Infine il Capitolo 7 riassume le potenzialità del software ed i vantaggi collegati al suo uso evidenzianone i limiti. Sono inoltre elencati i possibili miglioramenti e le opportune modifiche da effettuare.
