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    Marco D'ERRICO

    Insegnamento di SISTEMI SPAZIALI

    Corso di laurea magistrale in INGEGNERIA AEROSPAZIALE

    SSD: ING-IND/05

    CFU: 12,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 96,00

    Periodo di Erogazione: Annualità Singola

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    ITALIANO

    Contenuti

    Astrodinamica
    Elementi di dinamica d'assetto di satelliti
    Elementi di ambiente spaziale
    Sottosistema di potenza elettrica di un satellite
    Sottosistema di controllo termico di un satellite

    Testi di riferimento

    1) Bate, Mueller, White, Fundamentals of Astrodynamics
    2) Thomson, Introduction to Space Dynamics
    3) Tribble, The space environment
    4) Larson e Wertz, Space Mission Analysis and Design
    5) Fortescue e Stark, Spacecraft Systems Engineering
    6) Griffin e French, SpaceVehicleDesign
    7) Agrawaal, Design of Geosynchronous Spacecraft
    8) Materiale integrativo fornito dal docente

    Obiettivi formativi

    Al di là della conoscenza degli argomenti trattati al corso, l’obiettivo formativo consiste nel trasmettere la capacità di utilizzare le conoscenze acquisite in maniera unitaria per dimensionare e progettare preliminarmente un satellite.

    Prerequisiti

    Iscrizione al primo anno del corso di laurea magistrale in Ingegneria Aerospaziale.

    Metodologie didattiche

    Lezioni teoriche ed esercitazioni pratiche in aula.

    Metodi di valutazione

    Esame orale alla fine del corso con esercizi anche pratici. Non sono previste prove intermedie.
    Lo studente può consultare appunti, ma deve padroneggiare la modellistica matematica allo scopo di ricavarne dei dimensionamenti.
    L'esame consiste in cinque domande con eventuali approfondimenti se le risposte non sono giudicate chiare dal docente.

    Programma del corso

    Introduzione alle applicazioni spaziali e loro sviluppo: telecomunicazioni, metereologia, osservazione della Terra, astronomia. Tipologia di satelliti e loro evoluzione.
    Astrodinamica: orbite Kepleriane e loro proprietà, propagazione orbitale, manovre orbitali, perturbazioni orbitali: sviluppo in serie del campo gravitazionale terrestre ed effetti J2, J3, C22; resistenza aerodinamica; pressione di radiazione solare, attrazione luni-solare. Definizione e proprietà delle orbite eliosincrone, GEO e Molniya. Perturbazioni e controllo di satelliti in orbita LEO e GEO.
    Elementi di dinamica d’assetto: moto libero di un corpo rigido a simmetria assiale e di un corpo rigido con tre momenti principali d'inerzia differenti; stabilità/instabilità delle pure rotazioni intorno agli assi principali d'inerzia con e senza dissipazioni interne di energia meccanica. Moto di un satellite stabilizzato a spin: precessione stazionaria e sua stabilità. Moto d'assetto di un satellite soggetto a gradiente di gravità; tecniche si stabilizzazione passiva in orbita circolare. Controllo d'assetto di un satellite mediante tre ruote di reazione.
    Elementi sull'ambiente spaziale e sulla sua suddivisione schematica negli ambienti: vuoto, neutro, plasma, radiativo, micrometeoritico/space debris. Effetti dell'ambiente sui veicoli spaziali e impatto sul dimensionamento dei componenti. Cenni sulla qualificazione e accettazione spaziali.
    Schematizzazione del satellite in sottosistemi: guida navigazione e controllo; propulsione; struttura e meccanismi; termico; potenza elettrica; on-board data handling; telecomunicazioni; telemetria e comandi. Mass budget.
    Il sottosistema di potenza elettrica: schematizzazione e definizione dei requisiti. Tecniche di conversione dell'energia elettrica nella spazio e evoluzione delle varie tipologie di sorgenti: batterie primarie, celle solari, celle a combustibile, generatori termoelettrici a radioisotopi, sistemi dinamici a radioisotopi con ciclo Sterling. Modelli elettrici e curva caratteristica delle celle solari nel piano tensione-corrente e sua evoluzione con la temperature e l'esposizione all'ambiente spaziale; efficienza. Tecniche di immagazzinamento dell'energia elettrica nella spazio e evoluzione delle varie tipologie di batterie: nickel-cadmio, nickel-idrogeno, ioni di litio. Proprietà delle batterie: capacità, potenza specifica, tensione media di scarica, tensione di fine carica, profondità di scarica. Tecniche di controllo della tensione al bus (metodi DET e PPT; S3R) e loro funzionamento nel piano tensione-corrente. Tipologie di bus elettrici: non-controllati, quasi-controllati, controllati. Studio dell’andamento del periodo di eclisse e del moto del sole rispetto al piano orbitale del satellite. Dimensionamento del sottosistema di potenza elettrica: definizione dell'area e della massa del pannello solare dell’eventuale dispiegamento e dell’eventuale rotazione rispetto al satellite; dimensionamento della capacità e della massa della batteria; dimensionamento della massa dell'unità di controllo. Esercitazioni sul dimensionamento dell’EPS in orbita eliosincrona e geostazionaria.
    Il sottosistema di controllo termico: schematizzazione, definizione dei requisiti e tipologie (passivo, semi-passivo, attivo). Cenni sullo scambio termico radiativo e schematizzazione termica della Terra e del Sole. Descrizione delle principali componenti: radiatori, heat pipes, louvers, heat sinks, vernici, ecc.. Schematizzazione termica di primo livello di un satellite e di un pannello solare e definizione dei coefficienti di vista di questi elementi con la Terra ed il Sole. Stima di temperatura del satellite e del pannello solare in regime stazionario e loro utilizzo. Dimensionamento di un radiatore e verifica tramite analisi del regime termico instazionario. Esercitazioni: stima di temperature di satellite e pannello solare in LEO, MEO, GEO; dimensionamento e verifica di un radiatore in GEO.

    English

    Teaching language

    Italian

    Contents

    Astrodynamics
    Introduction to satellite attitude dynamics
    Introduction to the space environment
    Satellite Electric Power Subsystem
    Satellite Thermal Control Subsystem

    Textbook and course materials

    1) Bate, Mueller, White, Fundamentals of Astrodynamics
    2) Thomson, Introduction to Space Dynamics
    3) Tribble, The space environment
    4) Larson e Wertz, Space Mission Analysis and Design
    5) Fortescue e Stark, Spacecraft Systems Engineering
    6) Griffin e French, SpaceVehicleDesign
    7) Agrawaal, Design of Geosynchronous Spacecraft
    8) Additional material provided by professor

    Course objectives

    The course is aimed at developing the student capability to develop satellite preliminary design considering the different topics involved.

    Prerequisites

    Registration to the M.Sc. course in Aerospace Engineering.

    Teaching methods

    Theoretical lessons and practical exercises during the course.

    Evaluation methods

    Oral exam with practical exercises at the end of the course. No intermediate examinations are foreseen.
    The student is free to refer to lesson notes, but it is required that he/she is able to utilize mathematical models to derive quantitative satellite figures.
    Exam consists in five questions, with clarification requests if needed.

    Course Syllabus

    Introduction to space applications and their development: telecommunications, meteorology, Earth observation, astronomy. Satellites and their evolution.
    Astrodynamics: Keplerian orbits and their properties, orbital propagation, orbital maneuvers, orbital perturbations: series development of the Earth's gravitational field and J2, J3, C22 effects; aerodynamic drag; solar radiation pressure, luni-solar attraction. Definition and properties of the sun-synchronous orbits, GEO and Molniya. Orbit perturbation and maintenance of satellites in LEO and GEO.
    Elements of attitude dynamics: free motion of a rigid body with axial symmetry and of a rigid body with different moments of inertia; stability/instability of pure rotations around the principal axes of inertia with and without internal mechanical energy dissipations. Motion of a spin-stabilized satellite: stationary precession and its stability. Attitude motion of a satellite under gravity gradient moment; passive stabilization techniques in circular orbit. Satellite attitude control by three reaction wheels.
    Elements on space environment and its schematic subdivision into: vacuum, neutral, plasma, radiative, micrometeoritic / space debris. Environmental effects on spacecraft and impact on components’ sizing. Overview of space qualification and acceptance procedures.
    Satellite schematization in subsystems: guidance, navigation and control; propulsion; structure and mechanisms; thermal; electric power; on-board data handling; telecommunications; telemetry and commands. Mass budget.
    Electrical power subsystem: requirements, schematization and definitions. Electricity conversion techniques in space and evolution of electrical power sources: primary batteries, solar cells, fuel cells, radioisotope thermoelectric generators, radioisotope dynamical systems with Sterling cycle. Electric models and characteristic curves of solar cells in the voltage-current plane and its evolution with temperature and exposure to the space environment; efficiency. Techniques for storing electric energy in space and evolution of the various types of batteries: nickel-cadmium, nickel-hydrogen, lithium-ion. Battery properties: capacity, specific power, average discharge voltage, end-of-charge voltage, discharge depth. Bus voltage control techniques (DET and PPT; S3R methods) and their operation in the voltage-current plane. Types of electric buses: non-controlled, quasi-controlled, (fully) controlled. Study of the evolution of the eclipse period and of the motion of the sun with respect to the satellite orbital plane. Electrical power subsystem: definition and sizing: area and the mass of the solar panel (body-mounted/deployed, fixed/rotating); battery capacity and mass; power conditioning unit mass. Practical exercises: EPS definition and sizing in sun-synchronous or geostationary orbits.
    Thermal control subsystem: schematization, definition of requirements and control approach (passive, semi-passive, active). Overview of the radiative thermal exchange and thermal schematization of the Earth and the Sun. Description of the main components: radiators, heat pipes, louvers, heat sinks, paints, etc .. Satellite and a solar panel thermal schematization of definition their view factors with the Earth and the Sun. Estimation of satellite and solar panel temperatures in steady state. Radiator area definition and verification by unsteady thermal regime analysis. Practical exercises: satellite and solar panel temperature estimation in LEO, MEO, GEO; sizing and verification of a radiator in GEO.

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