Politecnico di Torino

Fin dall’inizio dell’era spaziale si è sempre riconosciuta l’importanza delle missioni di rendezvous e docking nello spazio. La prima missione di questo tipo venne effettuata manualmente da Neil Armstrong e Dave Scott durante il programma Gemini mentre la missione di docking automatica venne  effettuata dall’Unione Sovietica con il programma Cosmos. In seguito, con lo sviluppo del programma Apollo e delle prime stazioni spaziali, i sistemi docking ebbero uno sviluppo molto rapido sia per quanto riguarda i sistemi automatici che per quelli manuali.

Docking

Oggi si ha la necessità di ridurre i costi delle missioni spaziali e di assicurare una vita operativa più lunga ai satelliti nello spazio;  inoltre il problema dei detriti e della spazzatura spaziale impongono la ricerca i soluzioni per la manutenzione automatica dei satelliti e della loro distruzione in caso di fine vita operativa. I sistemi di docking esistenti sono applicati quasi esclusivamente alla stazioni spaziale e ai veicoli che trasportano persone e rifornimenti. Per questo motivo si è cercato di immaginare un sistema di docking applicabile a satelliti di piccole dimensioni in grado di funzionare in maniera autonoma.

Per molto tempo è stato molo difficile pensare ad una seria sperimentazione dei sistemi di Rendezvous e docking sulla terra in quanto ricreare le stesse condizioni che si hanno nello spazio è praticamente impossibile. Negli ultimi tempi però l’avvento del computer e di software di calcolo più sofisticati permettono di ricreare virtualmente l’ambiente spaziale per simulare al meglio le condizioni di funzionamento dei sistemi spaziali.

Modello completo

Durante lo svolgimento di questa tesi sono state create molte soluzioni possibili per il sistema di docking per piccoli satelliti. Fra tutte queste soluzioni sono poi state scelte le più promettenti e ,grazie alla creazione dei relativi modelli in Adams a partire dal disegno cad, si è scelto quella che meglio verifica i requisiti della missione. Una volta scelta la soluzione migliore si è proceduto al design completo e alla verifica del funzionamento sempre tramite implementazione del modello in Adams e analisi statiche e dinamiche.

Dettaglio cilindri

All’interno del modello Adams è stato possibile inserire tutte le caratteristiche di massa, inerzia, velocità reciproca, e posizione dei due satelliti nella manovra di docking. Ogni parte del sistema di docking è stata modellata tenendo conto del tipo di materiale e delle condizioni di vincolo rispetto alla struttura del satellite. Sono stati necessari al modello 13 forze di contatto, 6 forze per modellizzare le molle, 4 sensori per attivare alcune leggi di movimento solo al verificarsi del contatto tra i due satelliti, e 10 vincoli di  movimento per fissare tra di loro i vari elementi del sistema di docking.

Procedendo alle simulazioni statiche e dinamiche in un ambiente senza gravità si è così potuto verificare il funzionamento dell’intero sistema e si sono potuti estrarre dallo strumento di post-processing carichi strutturali per poter anche verificare con analisi in Nastran e Patran la resistenza strutturale dell’intero sistema. Sono stati analizzati tutti i grafici delle forze ed è stato riscontrato esattamente il comportamento che ci si attendeva quindi le simulazioni sono state considerate accettabili in termini di affidabilità dei risultati.

Simulazione