ALMASat-1, ALMASat-EO and beyond: evolution of structural concepts and technologies towards multifunctional structures for microsatellites

Multifunctional Structures (MFS) represent one of the most promising disruptive technologies in the space industry. The possibility to merge spacecraft primary and secondary structures as well as attitude control, power management and onboard computing functions is expected to allow for mass, volume and integration effort savings. Additionally, this will bring the modular construction of spacecraft to a whole new level, by making the development and integration of spacecraft modules, or building blocks, leaner, reducing lead times from commissioning to launch from the current 3-6 years down to the order of 10 months, as foreseen by the latest Operationally Responsive Space (ORS) initiatives. Several basic functionalities have been integrated and tested in specimens of various natures over the last two decades. However, a more integrated, system-level approach was yet to be developed. The activity reported in this thesis was focused on the system-level approach to multifunctional structures for spacecraft, namely in the context of nano- and micro-satellites. This thesis documents the work undertaken in the context of the MFS program promoted by the European Space Agency under the Technology Readiness Program (TRP): a feasibility study, including specimens manufacturing and testing. The work sequence covered a state of the art review, with particular attention to traditional modular architectures implemented in ALMASat-1 and ALMASat-EO satellites, and requirements definition, followed by the development of a modular multi-purpose nano-spacecraft concept, and finally by the design, integration and testing of integrated MFS specimens. The approach for the integration of several critical functionalities into nano-spacecraft modules was validated and the overall performance of the system was verified through relevant functional and environmental testing at University of Bologna and University of Southampton laboratories.

Design and prototyping of electronic PCBs for the study of the atmosphere in harsh environmental conditions

Progettazione, test e creazione di schede elettroniche per lo studio dell'atmosfera in condizioni ambientali difficili.

Progettazione della sala di controllo missione della stazione di ricetrasmissione satellitare di Forlì

In questo lavoro di tesi si è voluto rappresentare, mediante l'utilizzo del software SolidWorks, quella che sarà la nuova stazione di ricetrasmissione satellitare di Forlì, già esistente presso il laboratorio di radioscienza ed esplorazione planetaria sotto il nome di Alma Mater Ground Station (AMGS), la quale lavorerà come sala di controllo missione nel nuovo progetto della European Space Agency (ESA), ovvero la missione ESEO, progetto educativo che vede il contributo di studenti provenienti da varie facoltà europee. È stato inizialmente ampliato il lavoro di tirocinio svolto dal candidato, il quale ha riguardato la rappresentazione in SolidWorks delle antenne che saranno utilizzate dalla stazione di ricetrasmissione e del loro futuro posizionamento, mediante uno studio strutturale dei tralicci che sosterranno le antenne, quindi ponendo attenzione al carico del vento al quale potrà essere sottoposta l'antenna parabolica del diametro di 3 metri. Successivamente è stato svolto uno studio generale dell'attrezzatura necessaria alla comunicazione satellitare,e quindi dell'interconnessione dei vari componenti. Quindi è stata disegnata in SolidWorks la sala di controllo missione, che sarà ubicata presso il nuovo tecnopolo che sorgerà nelle vicinanze della Scuola di ingegneria, il quale sarà sede del CIRI Aeronautica, Spazio e Mobilità di Forlì. Sono state importate le antenne, già disegnate nel lavoro di tirocinio, e sono stati disegnati i vari componenti e arredamenti della sala di controllo, disponendoli in modo tale da creare una visione vicina alla realtà.

Design and implementation of the ESEO spacecraft simulator

The thesis work is developed under the European Student Earth Orbiter (ESEO) project supported by the European Space Agency (ESA) in order to help prepare a well-qualified space-engineering workforce for Europe's future. In the following chapters we are going to analyse how to simulate some ESEO subsystem. First of all, the Thermal Subsystem that evaluates the temperature evolution of on-board instruments. For this purpose, simulating also the orbital and attitude dynamics of the spacecraft, it is necessary in order to evaluate external environmental fluxes. The Power Subsystem will be the following step and it models the ability of a spacecraft to produce and store electrical energy. Finally, we will integrate in our software a block capable of simulating the communication link between the satellite and the Ground Station (GS). This last step is designed and validated during the thesis preparation.

Simulation of bistatic radar experiments with deep space missions

L’obiettivo del lavoro esposto nella seguente relazione di tesi ha riguardato lo studio e la simulazione di esperimenti di radar bistatico per missioni di esplorazione planeteria. In particolare, il lavoro si è concentrato sull’uso ed il miglioramento di un simulatore software già realizzato da un consorzio di aziende ed enti di ricerca nell’ambito di uno studio dell’Agenzia Spaziale Europea (European Space Agency – ESA) finanziato nel 2008, e svolto fra il 2009 e 2010. L’azienda spagnola GMV ha coordinato lo studio, al quale presero parte anche gruppi di ricerca dell’Università di Roma “Sapienza” e dell’Università di Bologna. Il lavoro svolto si è incentrato sulla determinazione della causa di alcune inconsistenze negli output relativi alla parte del simulatore, progettato in ambiente MATLAB, finalizzato alla stima delle caratteristiche della superficie di Titano, in particolare la costante dielettrica e la rugosità media della superficie, mediante un esperimento con radar bistatico in modalità downlink eseguito dalla sonda Cassini-Huygens in orbita intorno al Titano stesso. Esperimenti con radar bistatico per lo studio di corpi celesti sono presenti nella storia dell’esplorazione spaziale fin dagli anni ’60, anche se ogni volta le apparecchiature utilizzate e le fasi di missione, durante le quali questi esperimenti erano effettuati, non sono state mai appositamente progettate per lo scopo. Da qui la necessità di progettare un simulatore per studiare varie possibili modalità di esperimenti con radar bistatico in diversi tipi di missione. In una prima fase di approccio al simulatore, il lavoro si è incentrato sullo studio della documentazione in allegato al codice così da avere un’idea generale della sua struttura e funzionamento. È seguita poi una fase di studio dettagliato, determinando lo scopo di ogni linea di codice utilizzata, nonché la verifica in letteratura delle formule e dei modelli utilizzati per la determinazione di diversi parametri. In una seconda fase il lavoro ha previsto l’intervento diretto sul codice con una serie di indagini volte a determinarne la coerenza e l’attendibilità dei risultati. Ogni indagine ha previsto una diminuzione delle ipotesi semplificative imposte al modello utilizzato in modo tale da identificare con maggiore sicurezza la parte del codice responsabile dell’inesattezza degli output del simulatore. I risultati ottenuti hanno permesso la correzione di alcune parti del codice e la determinazione della principale fonte di errore sugli output, circoscrivendo l’oggetto di studio per future indagini mirate.

An Instrument Design for Space-Based Optical Observation of Space Debris

Currently, observations of space debris are primarily performed with ground-based sensors. These sensors have a detection limit at some centimetres diameter for objects in Low Earth Orbit (LEO) and at about two decimetres diameter for objects in Geostationary Orbit (GEO). The few space-based debris observations stem mainly from in-situ measurements and from the analysis of returned spacecraft surfaces. Both provide information about mostly sub-millimetre-sized debris particles. As a consequence the population of centimetre- and millimetre-sized debris objects remains poorly understood. The development, validation and improvement of debris reference models drive the need for measurements covering the whole diameter range. In 2003 the European Space Agency (ESA) initiated a study entitled “Space-Based Optical Observation of Space Debris”. The first tasks of the study were to define user requirements and to develop an observation strategy for a space-based instrument capable of observing uncatalogued millimetre-sized debris objects. Only passive optical observations were considered, focussing on mission concepts for the LEO, and GEO regions respectively. Starting from the requirements and the observation strategy, an instrument system architecture and an associated operations concept have been elaborated. The instrument system architecture covers the telescope, camera and onboard processing electronics. The proposed telescope is a folded Schmidt design, characterised by a 20 cm aperture and a large field of view of 6°. The camera design is based on the use of either a frame-transfer charge coupled device (CCD), or on a cooled hybrid sensor with fast read-out. A four megapixel sensor is foreseen. For the onboard processing, a scalable architecture has been selected. Performance simulations have been executed for the system as designed, focussing on the orbit determination of observed debris particles, and on the analysis of the object detection algorithms. In this paper we present some of the main results of the study. A short overview of the user requirements and observation strategy is given. The architectural design of the instrument is discussed, and the main tradeoffs are outlined. An insight into the results of the performance simulations is provided.