Dynamics and control of highly flexible structures for aerospace applications

Le strutture estremamente flessibili come pannelli solari a film sottile, antenne dispiegabili, concentratori e vele solari, sono tipicamente composte da membrane molto sottili tenute in tensione. Queste strutture dispiegabili sono considerate tecnologie promettenti per la loro leggerezza, elevata efficienza di impacchettamento, e basso costo. Questi vantaggi li rendono una tecnologia estremamente interessante per satelliti di piccole dimensioni, come i nanosatelliti (inclusi i CubeSat) che stanno diventando sempre più comuni grazie alla loro capacità di fornire molti dei servizi che in passato erano effettuati da satelliti più grandi, ad una frazione del loro costo. Le dimensioni delle strutture dispiegabili, però, non sono proporzionali alle dimensioni del satellite che le ospita, ma dipendono dalla missione e dall’applicazione specifica. Inoltre, la miniaturizzazione dei satelliti porta con sé molto spesso la riduzione delle performance del sistema di controllo di assetto. Perciò, appendici di grandi dimensioni montate su un nanosatellite possono essere un problema per quanto concerne il controllo d’assetto, con una possibile riduzione della stabilità e della precisione di puntamento, o persino lo stesso fallimento della missione. Per questo motivo, è necessario prevedere sistemi di controllo in grado di limitare o evitare sia le oscillazioni di queste strutture, sia di ridurre la trasmissione delle forze di disturbo dall’appendice flessibile al corpo centrale del satellite. Questa ricerca di dottorato si focalizza sull’analisi del comportamento dinamico di strutture spaziali estremamente flessibili e lo studio di fattibilità di metodi possibili per controllare le loro oscillazioni, sia in termini di tecniche di dissipazione direttamente applicate all’appendice, sia di riduzione della trasmissione delle vibrazioni in corrispondenza dell’interfaccia tra la struttura dispiegata e il corpo centrale del satellite. Due diversi “test case” sono stati identificati per questo studio, entrambi basati su pannelli solari. Il primo “test case” si focalizza su un pannello solare a membrana non supportato da alcuna struttura esterna. Simulazioni numeriche esplorano la fattibilità di controllare le oscillazioni di questa membrana, soggetta a una forza sinusoidale e condizioni iniziali non “piatte”, tramite l’utilizzo di patch sottili di materiale piezoelettrico. Questo studio conferma la possibilità di applicare il sistema di controllo in catena chiusa Hinf, per correggere la posizione non orizzontale della membrana e raggiungere una configurazione dispiegata e piatta. Il secondo “test case” studia la dinamica di un pannello solare dispiegato e tenuto in tensione da due “tape spring” in materiale composito. Inizialmente sono stati fabbricati prototipi di questi elementi dispiegabili ed è stato studiato in dettaglio il loro comportamento dinamico teorico. Sono state fatte simulazioni numeriche e condotti test sperimentali focalizzati sull’analisi delle dinamiche del sistema e lo studio di possibili strategie di controllo in termini di riduzione delle oscillazioni direttamente applicate alla struttura dispiegabile, e l’isolamento passivo delle vibrazioni tra la struttura dispiegata e il corpo centrale del satellite. I risultati principali confermano il problema che relativo al fatto che un dispiegamento incontrollato delle appendici flessibili su un satellite di piccole dimensioni con capacità di controllo d’assetto limitate che sfruttano solo l’energia immagazzinata nelle “tape spring” può generare coppie che possono portare a rotazioni incontrollate e il fallimento della missione. Perciò, è stato studiato il comportamento dinamico di dispiegamenti controllati che utilizzano un piccolo motore, e sono stati confrontati con il caso precedentemente menzionato. Nonostante vengano necessariamente aumentate la massa e la complessità al sistema, questo approccio porta molti benefici come la riduzione dei disturbi e la possibilità di ritrarre la struttura dispiegata quando necessario. In aggiunta, è stata confermata la fattibilità di due diverse strategie di controllo rispettivamente da un punto di vista numerico e sperimentale.