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Anno Accademico 2009/10
01LNTFQ
Sistemi spaziali
Corso di L. Specialistica in Ingegneria Aerospaziale - Torino
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
Corpino Sabrina ORARIO RICEVIMENTO A2 ING-IND/05 40 16 0 0 3
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/05 5 B - Caratterizzanti Ingegneria aerospaziale ed astronautica
Esclusioni:
02GKZ
Obiettivi dell'insegnamento
Nel processo formativo dell'ingegnere aerospaziale il corso in oggetto si propone di fornire i concetti base sui sistemi spaziali, laddove per sistemi spaziali si intendono satelliti orbitanti e sonde interplanetarie, veicoli di trasporto abitati e non, stazioni orbitanti e stazioni planetarie permanenti, abitate e non. Dopo una breve introduzione alle problematiche e ai vantaggi legati allo sfruttamento dello spazio, vengono descritte globalmente le varie tipologie di sistemi spaziali e tali sistemi vengono collocati all'interno del concetto più ampio di missione spaziale. Dopo aver analizzato i diversi segmenti dell'architettura di una generica missione spaziale, il corso procede concentrando l'attenzione al segmento 'spazio' con lo studio approfondito delle diverse macchine che possono costituirlo. Delle diverse tipologie di sistemi spaziali si studiano le caratteristiche globali principali, i possibili payload e il dettaglio dei sottosistemi di bordo che costituiscono il bus di servizio, con attenzione particolare ai satelliti e ai sistemi di trasporto e orbitanti abitati. L'ottica è quella di presentare le criticità e le potenzialità delle missioni spaziali, di fornire uno sguardo completo dei sistemi spaziali e dei loro sottosistemi, ma soprattutto di trasmettere e far crescere negli allievi la mentalità sistemistica indispensabile per lo studio dei sistemi complessi e integrati.
Competenze attese
Capacità di comprendere e saper gestire la problematica della complessità delle missioni spaziali e dei sistemi coinvolti nella loro realizzazione e acquisizione della conoscenza di base sui sistemi spaziali a livello di missione, di sistema, dei sottosistemi e della loro integrazione.
Prerequisiti
Conoscenza generale della fisica, della matematica e della geometria.
Programma
Introduzione al corso. Regole d'esame. Presentazione del programma. Presentazione di un esempio di semplice sistema spaziale: il satellite universitario PiCPoT sviluppato al Politecnico di Torino.
Uno sguardo alla storia: presentazione delle missioni notevoli del passato, lo stato attuale della ricerca in campo spaziale e le prospettive future.
Vantaggi dell'andare nello spazio: prospettiva globale, possibilità di osservazione, ambiente di free-fall, sfruttamento delle risorse extra-terrestri, scoperta. Tipi di missioni spaziali e suddivisione in categorie: comunicazione, navigazione, remote sensing, scienza e esplorazione. Esempi di missioni: costellazioni per telefonia satellitare, costellazioni per la navigazione, osservatori in orbita. 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, mission operations. La missione: suddivisione in segmenti.
Gli ambienti operativi di una missione spaziale. L'ambiente spaziale. Il sistema solare. Influenza del sole: emissione di radiazione elettromagnetica e flusso di particelle cariche. Caratteristiche della radiazione elettromagnetica. La radiazione di corpo nero. Problemi indotti dalla radiazione elettromagnetica sui veicoli spaziali: riscaldamento, disturbo dell'assetto, degrado delle superfici esterne e dei componenti esposti alla radiazione. Il problema delle particelle cariche: il vento solare e le solar flares, i raggi cosmici, le fasce di Van Allen. La magnetosfera terrestre. Tipologie di single-event phenomena indotti dalle particelle cariche ad alta energia sull'elettronica di bordo: upset, latchup, burnout. Il problema della carica elettrostatica e dello sputtering. I problemi delle orbite basse terrestri: la resistenza aerodinamica residua e il decadimento dell'orbita; la presenza di ossigeno mono-atomico e l'ossidazione dei materiali. Il problema dell'ambiente 'vuoto'. Livelli di 'vuoto'. L'outgassing, la saldatura a freddo, il problema del trasferimento del calore. L'ambiente di free-fall. La microgravità. Il problema dei micrometeoroidi e dei detriti spaziali. Effetti dei danni da impatto a ipervelocità. Tecniche di mitigazione del problema dei detriti spaziali. Effetti dell'ambiente spaziale sul corpo umano: effetti derivanti dall'ambiente free-fall, complicazioni dovute all'esposizione a radiazioni, effetti psicologici.
Definizione del Payload: esame dell'oggetto da studiare, tipologie di payload. Esempio: il payload per le missioni di remote sensing. I sensori passivi e i sensori attivi. Dimensionamento del payload: linee generali. Funzione del bus e i suoi sottosistemi principali: controllo del veicolo spaziale (il sistema di determinazione e controllo d'assetto e il sistema di guida, navigazione e controllo), la comunicazione e la gestione del sistema (sistema di comunicazione e data handling), la generazione elettrica (sistema di potenza elettrica), controllo dell'ambiente nel veicolo spaziale (sistema di controllo ambientale e supporto alla vita), il sistema meccanico e la struttura, il sistema di propulsione (propulsione per il raggiungimento dell'orbita, propulsione per il mantenimento e le manovre in orbita).
Il sistema di controllo del veicolo. Generalità sul concetto di sistema di controllo. Sistemi open-loop e closed-loop (ad anello di retroazione). Elementi di un sistema di controllo: il controllore, l'attuatore, il sensore. Modellazione del comportamento del sistema. Assetto di un sistema spaziale. Definizioni. Manovra d'assetto, acquisizione d'assetto, stabilizzazione dell'assetto. Il sistema di controllo e determinazione dell'assetto. Sistemi attivi e sistemi passivi. Controllo d'assetto passivo: spin, gradiente di gravità, magneti permanenti. I sensori d'assetto (sensori di terra, sensori di sole, sensori di stelle, giroscopi, magnetometri) . Processo o legge di controllo. Hardware d'assetto o attuatori (thrusters, ruota di momento, ruota di reazione, giroscopio di momento, magnetic torquers). Controllo di velocità e posizione del veicolo spaziale: il sistema di guida, navigazione e controllo. Definizione dei concetti di guida, navigazione e controllo. Determinazione dell'orbita. Controllo dell'orbita: mantenimento e station-keeping. Sensori per la navigazione: inertial measurement unit (IMU), ground tracking, satellite tracking, Global Positioning System (GPS), altri sistemi. La propulsione secondaria: sistemi a gas freddo, sistemi a idrazina monopropellente, sistemi bi-propellente MMH/N2H4, motori a propellente solido.
Il sistema di generazione di potenza elettrica. Funzioni primarie e accessorie. Progettazione del sistema elettrico. Architettura ed elementi del sistema elettrico. Le batterie. Sorgenti di potenza elettrica. I pannelli solari: tipologie di celle solari, principi di funzionamento, dimensionamento. Le celle a combustibile (fuel cells). Cenni alla generazione a mezzo di radioisotopi (RTG) e generazione nucleare. Applicazione numerica: dimensionamento di sistema dotato di celle solari e batterie.
Il sistema di comunicazione (Telemetry, tracking and command - TT&C). Il segmento spazio e il segmento Terra. Funzioni del sistema: tracking della portante, ricezione e invio delle informazioni, modulazione e demodulazione, ranging, interfaccia con altri sotto-sistemi, gestione delle antenne. Progetto del sistema di TT&C: i requisiti, i vincoli, e le normative. Schema a blocchi di un sistema TT&C: logica di funzionamento e componenti essenziali. Schema a blocchi di una Stazione di Controllo a Terra (Ground Control Station ' GCS): logica di funzionamento e componenti essenziali.
Il sistema di gestione dei comandi e dei dati (Command and Data Handling ' C&DH). Funzioni primarie del sistema: 1) ricevere, validare, decodificare e distribuire i comandi, 2) raccogliere, processare, e formattare dati sullo stato del veicolo e dati di missione (payload) da inviare all'esterno o al computer di bordo. Funzioni accessorie: orologio, watchdog, interfaccia di sicurezza. Schema a blocchi di un'unità di gestione comandi e suoi componenti principali. Schema a blocchi di un'unità di gestione dati e suoi componenti principali. Progetto e dimensionamento del C&DH. Il sistema di computer di bordo. Possibili scelte di architettura. Soluzioni commerciali a basso consumo e limitate dimensioni.
Il sistema di controllo termico (TCS). Requisiti del TCS. Ambienti termici esterni. L'ambiente termico in orbita. Condizioni limite: caso freddo e caso caldo. Richiami sulle modalità di trasmissione dell'energia termica: conduzione, convezione e irraggiamento e loro applicabilità nell'ambiente spaziale. Fonti di calore esterne: la radiazione solare, l'albedo, l'infrarosso planetario, bombardamento molecolare. Fonti di calore interne al veicolo spaziale. Equilibrio termico del veicolo spaziale. Analisi termica. Tecniche di controllo termico: sistemi passivi e attivi. Architettura di un TCS. I componenti del TCS: finiture superficiali e rivestimenti, radiatori, evaporatori e sublimatori, copertine termiche per l'isolamento, heaters, louvers, materiali a cambiamento di fase, heat pipes, scambiatori di calore, coldplates, pompe di calore, schermi per radiatori. Sistemi di controllo termico attivo speciali. Il sistema di protezione termica (TPS): metodi di assorbimento e di irraggiamento del calore.
Il sistema di controllo ambientale e di supporto alla vita (ECLSS). Requisiti e obiettivi del controllo ambientale e supporto alla vita. Peculiarità dei sistemi spaziali abitati. Funzioni principali dell'ECLSS: gestione dei parametri atmosferici, dell'acqua, dei rifiuti e del cibo e interazioni fra le quattro funzioni principali. Sottosistemi dell'ECLSS: controllo temperatura e umidità (THC), rifornimento e controllo dell'aria (ARS), campionamento e rigenerazione dell'aria (ARS), recupero e gestione dell'acqua (WRM), rilevamento e soppressione di incendi (FDS), gestione dei rifiuti (WM), gestione delle scorte e della preparazione del cibo (FSP), sistema di soccorso medico dell'equipaggio (CHeCS). Filosofie di progetto dell'ECLSS: sistemi aperti, sistemi chiusi (autonomi), grado di autonomia di un sistema chiuso, il riciclaggio delle risorse. Problematiche particolari: missioni di lunghissima durata e insediamenti abitati sulla luna o altri pianeti. Cenni alle tecnologie disponibili per ECLSS: soluzioni fisico-chimiche e soluzioni bio-rigenerative.
La struttura e i meccanismi. Funzioni della struttura primaria, secondaria e dei meccanismi. I requisiti per la struttura: robustezza, rigidezza, stabilità. I vincoli di massa e volume e le condizioni ambientali. Le principali sorgenti di carico e sollecitazione durante il ciclo di vita del veicolo spaziale: l'ambiente di produzione, di test e di verifica; il lanciatore e l'ambiente di lancio, l'ambiente spaziale e i carichi termici, eventi speciali. Analisi dei requisiti strutturali. L'inviluppo dinamico del lanciatore, le accelerazioni durante il lancio, le vibrazioni random da carichi acustici e meccanici, i carichi da shock. Opzioni di progetto: la scelta dei materiali e la tipologia di struttura, alla luce dei vincoli di peso, costo, e rischio. Criteri di progetto: fattori di carico e di sicurezza, opzioni di test, differenze fra moduli abitati e non. Progettazione della campagna di prove.
Sono previsti infine degli interventi da parte di docenti esterni, esponenti di primarie industrie e/o agenzie spaziali.
Laboratori e/o esercitazioni
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. Le attività svolte durante l'esercitazione dovranno essere riportate nella relazione finale in cui gli allievi presentano lo svolgimento del loro lavoro.
Controlli dell'apprendimento / Modalità d'esame
L'esame di Sistemi Spaziali consiste di due prove, entrambe obbligatorie.
Per accedere alla prima prova d'esame è condizione necessaria l'aver consegnato la relazione dell'esercitazione entro i termini previsti e comunicati dal docente all'inizio del corso. Per accedere alla seconda prova d'esame è necessario aver superato la prima prova con un voto ≥ 18/30.
Prima prova: test scritto comprendente domande a risposta multipla, domanda/e a risposta aperta e esercizio/i. Il punteggio dello scritto è così costituito:
' 10 domande a risposta multipla:
o risposta corretta 2 punti
o risposta sbagliata -1 punto
o risposta bianca 0 punti
' domanda/e a risposta aperta: 5 punti
' esercizio/i: 5 punti
Il punteggio massimo è 30/30.
Seconda prova: colloquio orale sugli argomenti trattati durante il corso in aula, e comprendente oltre le lezioni, anche le esercitazioni, le eventuali testimonianze aziendali e le visite. Il punteggio massimo è 30/30.
Per superare l'esame si deve aver ottenuto la sufficienza (voto ≥ 18/30) in entrambe le prove, sia scritta sia orale. Il voto finale sarà dato dalla media aritmetica dei voti delle due prove, entrambe di ugual peso. Entrambe le prove devono essere sostenute nel medesimo appello.
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2009/10
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