Development and characterization of a standardized docking system for small spacecraft

Fin dalla prima manovra di ancoraggio avvenuta nel 1966, molti e differenti meccanismi di docking sono stati sviluppati, per lo più per satlliti dotati di equipaggio. I pochi sistemi recentemente concepiti per piccoli satelliti non sono mai stati testati in spazio né scalati alle dimensioni adeguate per essere installati su CubeSat. Nel prossimo futuro, vi potrebbe essere un crescente interesse nello sviluppo di adeguate procedure di docking per piccoli veicoli, per realizzare strutture interdipendenti di satelliti, capaci di distribuire e condividere le proprie risorse: infatti, il mercato relativo a tali veicoli è in continua e costante crescita, concentrandosi su applicazioni commerciali a basso rischio e missioni scientifiche o educazionali a basso costo. In questo contesto, questo documento presenta un innovativo meccanismo di docking, capace di dare ai piccoli satelliti la capacità di agganciarsi e separarsi nello spazio, consentendo la realizzazione di piattaforme multicomponente intercambiabili, autoriparabili e aggiornabili tramite l'aggiunta di nuovi moduli, così da superare gli attuali limiti tecnologici imposti dalle limitate risorse disponibili a bordo dei singoli satelliti. Le interfaccie di docking fino ad ora realizzate presentano (1) sistemi maschio-femmina assai semplici ma ovviamente incapaci di agganciarsi a porte dello stesso genere, o (2) geometrie androgine, che pur evitando tale problematica risultano utilizzarre meccanismi complessi e non assialsimmetrici, richiedendo quindi strategie di navigazione e controllo d'assetto molto complicate e robuste. La soluzione proposta vuole superare le limitiazioni precedentemente menzionate, utilizzando un meccanismo muta-forma semiandrogino, capace di cambiare la forma dell'interfaccia in "femmina" così da consentire la penetrazione da parte di una porta equivalente ma non attuata, catturandola e realizzando l'aggancio. La progettazione del meccanismo ha seguito un processo logico, dalla definizione di una serie di requisiti al confronto tra soluzioni concettuali concorrenti, per concludersi con l'analisi del suo comportamento dinamico, dedicando particolare attenzione a due aspetti critici, la trasmissione dei carichi e le tolleranze di allineamento richieste durante una manovra di docking. Tali analisi sono state seguite dalla realizzazione di un prototipo instrumentato, utilizzato per verificare in laboratorio la funzionalità del meccanismo e definire precisamente i valori di tali tolleranze, che giacciono in un intervallo di discostamenti compreso tra +-15 mm e 6 gradi. Infine, un paragone con l'interfaccia UDP di SPHERES viene brevemente presentato, all'interno di una più ampia descrizione delle attività condotte durante un periodo di visita presso lo Space Systems Laboratory del Massachusetts Institute of Technology.