L’obiettivo del corso è quello di presentare la complessità, le criticità e le potenzialità delle missioni spaziali e di fornire gli strumenti per la loro progettazione.
Il modulo Progetto di missioni e sistemi spaziali ha l’obiettivo 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. Il corso è basato sulla modalità didattica pratica e interattiva, per cui l’allievo è coinvolto a partecipare attivamente alla propria formazione, includendo in particolare il lavoro in team per lo sviluppo del progetto della missione spaziale. Il modulo Propulsione spaziale si propone di fornire agli studenti le nozioni di base riguardanti le principali manovre spaziali e descrivere i sistemi propulsivi per la loro realizzazione, con particolare riferimento alla propulsione elettrica. Vengono presentati i principali metodi per la generazione di spinta nello spazio mediante l’accelerazione elettrotermica, elettrostatica o elettromagnetica di un propellente e descritti i più importanti propulsori elettrici attualmente realizzati o in via di sviluppo. Indicativamente ciascun modulo è articolato in quarantacinque ore di lezione e quindici di esercitazione.

Ci si attende che l’allievo acquisisca le conoscenze che gli consentano di:
• comprendere le diverse tipologie di missioni spaziali, le loro peculiarità e la loro influenza sui sistemi che devono svolgerle, apprendendo i metodi tipici dell'ingegneria sistemistica;
• progettare e analizzare la missione spaziale e i sistemi in essa coinvolti, mediante l’apprendimento delle metodologie, degli strumenti, dei processi e delle normative in uso nel campo aerospaziale;
• confrontarsi con problematiche trasversali quali l’affidabilità e la sicurezza dei sistemi complessi e gestirne la progettazione;
• utilizzare i principali strumenti di supporto alla progettazione: software di simulazione funzionale e fisica
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, MIL
• presentare il proprio lavoro ai docenti e colleghi, attraverso la simulazione di una PDR e/o CDR
• 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. Sono inoltre richieste conoscenze di base dei sistemi spaziali, dell’astrodinamica, della propulsione e dei concetti fondamentali dell’elettronica analogica e digitale.

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)

Principi della propulsione nello spazio Spinta e impulso specifico. Equazione di Tsiolkowski. Perdite di velocità.
Confronto propulsione chimica ed elettrica. Impulso specifico ottimale.
Prestazioni del razzo monostadio e multistadio. Manovre di evasione e cattura, trasferte interplanetarie, flyby.
Richiami di elettromagnetismo, ionizzazione e definizione di plasma. Collisioni tra particelle: classificazione e sezioni d’urto.
Conducibilita’ scalare e parametro di Hall; moto di particelle in campi elettromagnetici variabili.
Propulsione elettrotermica: perdite, propellenti. Resistogetti: particolarita’ costruttive e prestazioni. Arcogetti: particolarita’ costruttive e prestazioni.
Propulsione elettrostatica: rendimento ideale e ionizzazione. Accelerazione elettrostatica: legge di Child ed effetti bidimensionali, accelerazione/decelerazione. Neutralizzazione. Caratteristiche e prestazioni di propulsori elettrostatici. FEEP e colloidal thrusters.
Propulsori a effetto Hall: geometria, funzionamento e prestazioni
Propulsione elettromagnetica: equazioni magnetogasdinamica; propulsori MPD self field: pumping e blowing. Prestazioni di propulsori MPD self-field e applied field.Vasimr.
Propulsione elettromagnetica instazionaria; particolarita’ costruttive e prestazioni di PPT
Generatori di potenza.
Propulsione nucleare, propulsori avanzati, vele solari.

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-education. 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.

Propulsione spaziale
Impulso specifico ottimale. Prestazioni di propulsori elettrici.