Spacecraft Rendezvous and Docking Using Electromagnetic Interactions

La capacità di eseguire operazioni di servizio su veicoli in orbita ha riscontrato, negli ultimi anni, un’enorme interesse da parte delle maggiori compagnie e agenzie spaziali internazionali. La necessità di ridurre i costi di produzione, assieme alla possibilità di ottenere sistemi complessi più affidabili e duraturi, ha indirizzato marcatamente il mercato dell’ingegneria aerospaziale verso lo studio di soluzioni innovative per eseguire in orbita operazioni quali rifornimento, aggiornamento e manutenzione di sottositemi, riparazioni di componenti non funzionanti e ispezioni. Le nuove idee e tecnologie in via di sviluppo per eseguire queste operazioni sono percepite come estremamente funzionali e efficienti in termini di costo, in grado di estendere la vita operativa di un satellite e diminuire i costi connessi alla sua completa sostituzione. Attualmente, il tassello mancante per poter procedere efficacemente con questo tipo di procedure, è un sistema automatico di docking che possa costituire un nuovo standard semplice ed affidabile. Gli odierni sistemi di docking, infatti, sono caratterizzati da elevati requisiti di puntamento e necessitano dell’attuazione di precise azioni sul controllo d’assetto in modo da garantire un aggancio sicuro tra i due veicoli coinvolti nella manovra. Questo è dovuto al fatto che tali sistemi di aggancio sono stati progettati quasi unicamente per il trasferimento di equipaggio o di materiali mentre nessuna progettazione, finora, è mai stata prevista per i satelliti commerciali e scientifici. Recentemente, l’avvento dei CubeSat ha fortemente incoraggiato aziende e agenzie del settore aerospaziale ad investire nello sviluppo di dimostratori tecnologici e payload scientifici, grazie alla notevole riduzione nel costo necessario per lanciare in orbita tali veicoli. Lo svantaggio nell’utilizzare questo tipo di piattaforme è principalmente legato ai limiti tecnici intrinseci degli stessi, rappresentati dalle ridotte risorse a disposizione. Ciononostante, gran parte di queste limitazioni sono state superate grazie alla possibilità di scalare i risultati ottenuti ed applicarli a sistemi più grandi. Numerose tecnologie sono già state testate e caratterizzate nello spazio usando moduli CubeSat, ma solo esperimenti marginali sono stati condotti sino ad oggi su sistemi di docking, anche se si sta percependo un cambio di tendenza. Tali sistemi, infatti, permetterebbero l’esecuzione di operazioni di aggancio e sgancio, ampliando enormemente i possibili scenari di missione: sistemi modulari formati da molteplici unità CubeSat potrebbero interagire tra loro creando agglomerati più grandi in grado di condividere le risorse più efficacemente, riorganizzarsi e aggiornarsi autonomamente. Lo scopo di questa ricerca è quello di proporre un nuovo sistema di soft-docking caratterizzato da requisiti meno stringenti per quanto concerne l’accuratezza nel puntamento e nel controllo d’assetto rispetto ai sistemi esistenti. L’idea innovativa alla base dello studio è quella di sfruttare la capacità di auto-allineamento e reciproca attrazione garantita dall’interazione magnetica che si instaura tra due interfacce elettromagnetiche, in modo da facilitare le manovre di prossimità ed aggancio. La trattazione è suddivisa in due parti principali. Nella prima parte viene presentato l’esperimento PACMAN (Position and Attitude Control with MAgnetic Navigation) il quale rappresenta un dimostratore tecnologico di un sistema di docking per piccoli satelliti basato su attuatori magnetici. Tale sistema, sviluppato all'interno del programma ESA Education Fly Your Thesis! 2017, è stato testato in gravità ridotta durante la 68th campagna di voli parabolici ESA a dicembre. La seconda parte si focalizza invece su un nuovo concept, TED (Tethered Electromagnetic Docking), secondo il quale le manovre di close-range rendezvous e docking possono essere realizzate lanciando una sonda elettromagnetica collegata ad un filo da un satellite chaser verso un’interfaccia elettromagnetica montata su di un satellite target. Stabilito il collegamento, tramite il recupero del filo, i due veicoli sono connessi rigidamente concludendo la manovra.