Nel processo formativo dell’ingegnere aerospaziale, il corso in oggetto si propone di fornire le conoscenze necessarie per la progettazione dei sistemi spaziali, laddove per sistemi spaziali si intendono satelliti orbitanti, sonde interplanetarie e rover per l’esplorazione planetaria, veicoli di trasporto abitati e non, stazioni orbitanti e stazioni planetarie permanenti, abitate e non.
Dopo un breve richiamo alle varie tipologie di sistemi spaziali, tali sistemi vengono collocati all’interno del concetto più ampio di missione spaziale, di cui si analizzano nel dettaglio gli elementi che, opportunamente integrati, andranno a costituire l’architettura di missione.
L’ottica è quella di presentare la complessità, le criticità e le potenzialità delle missioni spaziali e di fornire gli strumenti per la loro progettazione.
L’obiettivo è quello di sviluppare la capacità di comprendere e saper gestire il progetto delle missioni spaziali e dei sistemi coinvolti nella loro realizzazione, grazie all’acquisizione delle metodologie di progettazione e degli strumenti ingegneristici tipici delle attività spaziali.

Ci si attende che l’allievo acquisisca le conoscenze sui sistemi spaziali che gli consentano di:
• conoscere le peculiarità delle missioni spaziali, e la loro influenza sui sistemi che devono svolgerle
• conoscere le diverse tipologie di missioni spaziali: missioni abitate e non, missioni di esplorazione planetaria, missioni per supporto alle comunicazioni o per la navigazione, missioni scientifiche, missioni di osservazione, missioni speciali
• analizzare la missione spaziale: l’ambiente operativo, l’architettura di missione, i segmenti della missione, gli elementi della missione e la loro integrazione (il payload e il bus, il sistema di terra, il sistema di lancio, il segmento di comunicazione, l’orbita e le operazioni)
• comprendere come i sistemi e i loro sottosistemi operano, in relazione ai requisiti e ai vincoli posti, per svolgere la missione assegnata
• apprendere i metodi di progettazione delle missioni spaziali: gestione delle le fasi del progetto, individuazione degli input e degli output di ogni fase, l’applicazione degli standard (ESA e/o NASA), la redazione della documentazione tecnica
• apprendere le metodologie e le tecniche per svolgere il progetto aerospaziale (analisi funzionale, metodi di allocazione dei requisiti, metodologie di trade off e valutazione del progetto, i budget di sistema e dei sottosistemi, etc.)
• usare gli strumenti di supporto al progettista: software CAD e di simulazione dei sistemi integrati
• trattare la problematica della sicurezza e dell’affidabilità di missioni complesse, conoscendo i fattori che le influenzano e le metodologie atte a valutarle
Ai fini dell’autonomia di giudizio e delle abilità comunicative, si stimolerà l’allievo chiamandolo a:
• svolgere applicazioni progettuali sui sistemi in oggetto
• stimare rapidamente gli ordini di grandezza dei valori numerici che ragionevolmente l'ingegnere si deve attendere nei principali casi di riferimento
• redigere relazioni tecniche secondo gli standard ECSS, NASA, o MIL
• conoscere la terminologia internazionale, in particolare quella inglese.

L’allievo che accede a questo insegnamento deve conoscere le nozioni base della fisica, dalla meccanica alla termodinamica all’elettromagnetismo. Deve disporre degli strumenti di base del calcolo differenziale e integrale, della geometria analitica nel piano e nello spazio. È desiderabile inoltre che l’allievo disponga di nozioni di base sull’algebra delle matrici e sui sistemi di controllo. La conoscenza di base dei sistemi spaziali, dell’astrodinamica e dei concetti fondamentali dell’elettronica analogica e digitale sono ritenute indispensabili per la piena comprensione dei contenuti del corso e per lo svolgimento delle applicazioni proposte. È vivamente consigliato che l’allievo possa comprendere la lingua inglese.

Il corso viene introdotto mediante la presentazione di un esempio di semplice missione spaziale: il satellite universitario e-st@r sviluppato al Politecnico di Torino, grazie al quale gli allievi possono avere una visione d’insieme sui temi che si tratteranno.
Le lezioni ed esercitazioni verteranno sui seguenti argomenti:
Presentazione delle missioni notevoli del passato, lo stato attuale della ricerca in campo spaziale e le prospettive future.
Elementi di una missione spaziale e loro integrazione: il concetto di architettura di missione. Definizione degli elementi di una missione spaziale: l’oggetto della missione, il payload, il bus, il sistema di lancio, l’analisi dell’orbita, il sistema di terra, il controllo operazioni, l’architettura della rete di comunicazioni. Suddivisione della missione in segmenti. (lezioni)
Definizione del Payload: esame del soggetto della missione, tipologie di payload. Dimensionamento del payload: linee generali. (lezioni ed esercitazioni)
Overview delle funzioni del bus di servizio e i sottosistemi principali di un veicolo spaziale. Linee guida per il dimensionamento dei principali sottosistemi di bordo.
La progettazione di una missione spaziale (project work, lezioni ed esercitazioni interattive):
• Fasi del progetto: dallo studio di fattibilità alla critical design review.
• La definizione degli obiettivi di missione.
• Metodologie per l’analisi e definizione dei requisiti di missione e per la loro allocazione.
• L’analisi funzionale per la definizione dell’architettura di missione e dei requisiti funzionali.
• Metodologie per il trade-off di architetture alternative.
• Metodi, tecniche e strumenti per lo sviluppo del progetto del sistema primario e del suo supporto.
• La definizione della geometria della missione.
• La gestione dei vincoli imposti dall’ambiente spaziale.
• Progetto e dimensionamento del payload.
• Progetto e dimensionamento dei sottosistemi di bordo e dei sistemi di supporto a terra.
• Definizione dei budget di progetto.
• La progettazione della campagna di prove e verifiche per la qualifica e l’accettazione.
• Affidabilità e sicurezza: peculiarità delle attività spaziali e integrazione dei concetti nel progetto della missione.
Sono previsti infine degli interventi da parte di docenti esterni, esponenti di primarie industrie e/o agenzie spaziali. (altre lezioni)

Durante il corso viene proposta un’esercitazione di carattere progettuale, nella quale gli allievi, suddivisi in piccoli gruppi, sono chiamati a progettare diversi elementi di una missione spaziale. L’esercitazione è a tutti gli effetti un laboratorio di progetto, in cui gli allievi applicano le conoscenze acquisite nelle ore di lezione per progettare la missione assegnata, e rappresenta il cuore dell’intero corso. Circa la metà delle ore del corso sono infatti destinate all’attività di laboratorio, secondo un approccio hands-on-practice. Verranno impiegati diversi strumenti di supporto alla progettazione, quali i software Catia V5 e STK, oltre agli usuali tool informatici per le diverse tipologie di analisi previste. Il materiale necessario per lo svolgimento del progetto viene fornito a seconda delle esigenze durante lo svolgimento dello stesso. Le esercitazioni di norma si svolgono in laboratorio informatico sotto la guida del docente e del/i collaboratore/i. Le attività svolte durante l’esercitazione dovranno essere riportate nella relazione finale in cui gli allievi presentano lo svolgimento del loro lavoro.

Il materiale di riferimento è preparato dal docente ed è disponibile sulla pagina del corso sul portale della didattica. Il materiale è redatto in lingua inglese.
Sono suggeriti i seguenti testi di approfondimento (alcuni sono disponibili sul web, altri in biblioteca):
• Space Mission Analysis and Design (SMAD), 3rd Edition, W.J. Larson and J.R. Wertz, Space Technology Library, Vol. 8
• Space Mission Engineering: The New SMAD, J.R. Wertz, D.F. Everett, J.J. Puschell, Space Technology Library, Vol. 28
• Elements of Spacecraft Design, C.D. Brown, AIAA Education Series
• Mission Geometry; Orbit and Constellation Design and Management, J.R. Wertz et alii, Space Technology Library, Vol. 13
• Human Spaceflight; Mission analysis and Design, W.J. Larson, Space Technology Series, McGraw Hill
• ECSS standards (http://www.ecss.nl/)
• NASA System Engineering Handbook, NASA/SP-2007-6105, Rev1

L’apprendimento è verificato mediante colloquio orale sugli argomenti trattati durante il corso. Al fine di verificare il pieno raggiungimento degli obiettivi e quindi l’acquisizione delle competenze attese, il colloquio verte sugli argomenti teorici così come sul contenuto del project work, e sui contributi dati dalle testimonianze aziendali se applicabili. In relazione al project work, l’allievo è invitato a presentarsi con la propria copia della relazione finale, di cui sarà chiamato a discutere una parte a scelta del docente. La relazione relativa al project work deve essere consegnata obbligatoriamente al termine del corso, mediante procedura informatica sul portale della didattica. Il voto finale sarà dato dalla valutazione complessiva della prova orale.