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Progetto di missioni e sistemi spaziali/Propulsione spaziale

01PEVMT

A.A. 2024/25

2024/25

Progetto di missioni e sistemi spaziali/Propulsione spaziale (Progetto di missioni e sistemi spaziali)

L’obiettivo dell'insegnamento 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.

Progetto di missioni e sistemi spaziali/Propulsione spaziale (Propulsione spaziale)

L'insegnamento presenta la complessità, le criticità e le potenzialità delle missioni spaziali e fornisce agli studenti gli strumenti per la loro progettazione. 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.

Progetto di missioni e sistemi spaziali/Propulsione spaziale (Progetto di missioni e sistemi spaziali)

The scope of the course is to present the complexity, critical aspects and opportunities of space missions and provide tools for their design. The Space missions and systems design module aims at giving the knowledge necessary to design space missions and systems. Satellites orbiting planets, interplanetary probes, rovers for planet exploration, transportation vehicles (both manned and unmanned), orbiting space stations and planetary outposts, will be considered and briefly described. The systems are then included in the broader concept of the space mission, which will be deeply analyzed by studying the mission architecture, its elements, and their relations. The module will provide tools, methods and techniques, needed to deal with space mission design and development. The course is based on hands-on education method, taking advantages of the teamwork-based approach to learning the art of space mission design.

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The course presents the complexity, critical aspects and opportunities of space missions and provides tools for their design. The Space propulsion module aims at providing to the students the basic notions which concern space manoeuvres and at describing the propulsive systems apt at the realization of such manoeuvres, which particular emphasis on electric propulsion. The main methods to obtain thrust in space are presented, considering electrothermal, electrostatic and electromagnetic acceleration of a propellant, and a description of the most common electric propulsion system (both existing and under development) is given. Each module consist of approximately 45 hours of formal lectures and 15 hours of computing classes.

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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, la sicurezza e i costi 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 e/o NASA • presentare il proprio lavoro ai docenti e colleghi, attraverso la simulazione di una review di progetto • conoscere la terminologia internazionale, in particolare quella inglese.

Progetto di missioni e sistemi spaziali/Propulsione spaziale (Propulsione spaziale)

Gli studenti dovranno essere in grado di: conoscere le principali manovre spaziali e valutarne i requisiti propulsivi; conoscere in modo approfondito i principali propulsori elettrici, le loro prestazioni e i campi di applicazione; applicare le conoscenze acquisite per valutare soluzioni propulsive e relative prestazioni in relazione ai requisiti di missione.

Progetto di missioni e sistemi spaziali/Propulsione spaziale (Progetto di missioni e sistemi spaziali)

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, e dei concetti fondamentali dell’elettronica analogica e digitale.

Progetto di missioni e sistemi spaziali/Propulsione spaziale (Propulsione spaziale)

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.

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PROGETTO DI MISSIONI E SISTEMI SPAZIALI Le lezioni verteranno sui seguenti argomenti: - Esempi di missioni spaziali notevoli, 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. - Definizione del Payload: esame dell'oggetto della missione, tipologie di payload. - 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. - Strumenti dell’ingegneria di sistema: metodi per l'analisi delle necessità degli stakeholders, per la derivazione dei requisiti, l'analisi funzionale, per condurre studi di trade-off e l’analisi decisionale. - Elementi e strumenti del Project Management. Fasi di sviluppo della missione spaziale. Analisi del rischio e dei costi di un programma spaziale. La progettazione di una missione spaziale (project work), con applicazione e approfondimento delle conoscenze apprese a lezione: - Fasi del progetto: dallo studio di fattibilità alla preliminary requirements review (PRR). - La definizione degli obiettivi di missione. - Studio dell’oggetto della 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. - Analisi del rischio e analisi del costo della missione e del programma spaziale. Sono previsti degli interventi da parte di docenti esterni, esponenti di primarie industrie e/o agenzie spaziali.

Progetto di missioni e sistemi spaziali/Propulsione spaziale (Propulsione spaziale)

PROPULSIONE SPAZIALE 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.

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Progetto di missioni e sistemi spaziali/Propulsione spaziale (Progetto di missioni e sistemi spaziali)

PROGETTO DI MISSIONI E SISTEMI SPAZIALI L'insegnamento si svolge attraverso lezioni teoriche e lo sviluppo di un'applicazione pratica delle nozioni fornite a lezione. Durante il corso viene proposta un’esercitazione di carattere progettuale, nella quale gli allievi, suddivisi in gruppi, sono chiamati a progettare diversi elementi di una missione spaziale. La missione viene proposta ogni anno in base alle tematiche di interesse per la ricerca aerospaziale. 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 di modellazione fisica (SolidWorks/CATIA) e simulazione orbitale (GMAT/ASTOS/STK), oltre agli usuali tool informatici per le diverse tipologie di analisi previste (MATLAB/EXCEL). 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 e in aula sotto la guida del docente e del/i collaboratore/i. Le attività svolte durante l’esercitazione dovranno essere riportate nei documenti in cui gli allievi presentano lo svolgimento del loro lavoro.

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PROPULSIONE SPAZIALE Accanto alle lezioni teoriche, durante l'insegnamento si terranno esercitazioni sulla determinazione dell'impulso specifico ottimale per una data missione e sull'analisi delle prestazioni di propulsori elettrici.

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PROGETTO DI MISSIONI E SISTEMI SPAZIALI 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, oppure 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.

Progetto di missioni e sistemi spaziali/Propulsione spaziale (Propulsione spaziale)

PROPULSIONE SPAZIALE R. G. Jahn, Physics of Electric Propulsion, Prima Edizione, McGraw-Hill, New York, NY, 1968. L. Casalino Dispense disponibili sul portale della didattica.

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato grafico individuale; Elaborato grafico prodotto in gruppo; Elaborato scritto prodotto in gruppo;

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;

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Exam: Compulsory oral exam; Individual graphic design project; Group graphic design project; Group essay;

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Exam: Compulsory oral exam;

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PROGETTO DI MISSIONI E SISTEMI SPAZIALI L’apprendimento è verificato mediante valutazione dei documenti prodotti durante il corso e di un colloquio finale. 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. Al colloquio, lo studente è tenuto a presentare il proprio contributo al lavoro di gruppo mediante predisposizione di un elaborato grafico (di norma nella forma di una presentazione powerpoint), che verrà discussa col docente in una sessione di domande e risposte. La durata della prova orale è di norma di 20 minuti. Ciascun team di progetto deve inoltre preparare due documenti: la relazione relativa al project work (nella forma di un Executive Summary Report) e un elaborato grafico di illustrazione del progetto (di norma nella forma di una presentazione powerpoint). Questi documenti devono essere consegnati obbligatoriamente al termine del corso, mediante procedura informatica sul portale della didattica. La presentazione personale invece viene consegnata in sede di colloquio. Il voto finale del modulo di Progetto di Missioni e Sistemi Spaziali sarà dato dalla valutazione complessiva della prova orale, dell’Executive Summary Report e della presentazione finale del project work. Il voto massimo è di 30/30 e lode.

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PROPULSIONE SPAZIALE L’esame è orale (30-40 minuti). Consiste in due o tre domande, sviluppate attraverso la discussione teorica e/o lo svolgimento di brevi calcoli, volte ad accertare la conoscenza delle caratteristiche costruttive, dei principi di funzionamento e delle prestazioni dei propulsori spaziali, e delle caratteristiche delle principali manovre spaziali. Voto massimo 30 e lode

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
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