La struttura di un satellite - Trieste, 26 novembre 2019 - Moodle@Units
←
→
Trascrizione del contenuto della pagina
Se il tuo browser non visualizza correttamente la pagina, ti preghiamo di leggere il contenuto della pagina quaggiù
La struttura di un satellite Trieste, 26 novembre 2019 1
SOTTO-SISTEMI Trieste, 26 novembre 2019 2
Utilizzo della Struttura
Ø Sostegno alle diverse parti del satellite
Ø Protezione dall’ambiente esterno
Ø Dispiega l’antenna o gli eventuali meccanismi di
movimento
Ø Controlla ed assorbe le vibrazioni dannose per lo
strumento
Trieste, 26 novembre 2019 3
Categorie
Strutture Primarie Strutture Secondarie
Strutture Terziarie
Trieste, 26 novembre 2019 4
Esempio: carico per pressione atmosferica
T = 5.144 ×106 N/m2
Trieste, 26 novembre 2019 5
Processi del disegno meccanico – 1
-missione
Identificare i requisiti -lancio
-ambiente
-requisiti
Sviluppare le sottosistemi
configurazioni di -involucro
iterazione
compattamento -accessibilita’
-opzioni
Considerare le costruzione
opzioni di disegno -opzioni
materiali
Scegliere la filosofia -criteri analisi
di disegno -criteri test
N
Disegno Y Soddisfa i Dimensionare la
dettagliato requisiti? struttura
Trieste, 26 novembre 2019 6
Requisiti della struttura
Ø Solidità
Ø Quantita’ di carico che la struttura puo’ sopportare
Ø Rigidità
Ø Misura del carico che causa una distorsione
Ø Durata strutturale
Ø Numero di cicli di carico che la struttura puo’ sopportare
Ø Stabilità di posizionamento
Ø Capacita’ di mantenere posizione e/o orientamento entro certi
limiti
Ø Spazio a disposizione
Ø Lo spazio fisico entro cui la struttura deve rimanere quando
soggetta a carichi
Trieste, 26 novembre 2019 7
Processi del disegno meccanico – 2
-missione
-lancio
Identificare i requisiti
-ambiente
-requisiti
Sviluppare le sottosistemi
configurazioni di -involucro
iterazione
compattamento -accessibilita’
-opzioni
Considerare le costruzione
opzioni di disegno -opzioni
materiali
Scegliere la filosofia -criteri analisi
di disegno -criteri test
N
Disegno Y Soddisfa i Dimensionare la
dettagliato requisiti? struttura
Trieste, 26 novembre 2019 8Configurare il Satellite
Ø Identificare le componenti principali
Ø Posizionare il P/L scientifico
Ø Selezionare una forma e l’architettura
Ø Sketch posizionamento componenti principali
Ø Posizionare le strutture dispiegabili
Ø Calcolare le proprietà della struttura
ØMassa, momenti di inerzia, CdM (ogni componente)
Ø Verifica (altri sistemi e sotto-sistemi)
Trieste, 26 novembre 2019 9Linee Guida per Definire l’Involucro
Ø Accesso alle componenti per installazione o controllo
Ø Struttura simmetrica, disegno modulare
Ø Lanciatore
Ø Componenti massive vicine al lanciatore
Ø Componenti sensibili alle vibrazioni lontane dal lanciatore
Ø Componenti elettriche vicine fra loro
Ø Componenti sensibili contaminazione lontane dai thrusters
Ø Propellente vicino al CdM
Ø Pannelli solari e componenti sensibili alla temperatura
distribuiti simmetricamente
Ø Lunghezza appendici minima
Trieste, 26 novembre 2019 10Processi del disegno meccanico – 3
-missione
-lancio
Identificare i requisiti -ambiente
-requisiti
Sviluppare le sottosistemi
configurazioni di -involucro
iterazione
compattamento -accessibilita’
-opzioni
Considerare le costruzione
opzioni di disegno -opzioni
materiali
Scegliere la filosofia -criteri analisi
di disegno -criteri di test
N
Disegno Y Soddisfa i Dimensionare la
dettagliato requisiti? struttura
Trieste, 26 novembre 2019 11Opzioni
Opzioni di Disegno
di Disegno
Struttura primaria
Struttura
Ø StrutturaCilindro
primaria primaria
Modalita’
Ø Cilindro Cilindro di costruzione
Modalita’
Ø Modalita’ di costruzione
Tipodidicostruzione
cilindro
Materiali
Ø Tipo Tipo di
di cilindrotipici
cilindro
Materiali
Ø MaterialiLeghe tipici
tipicidi alluminio
Interfacce
Ø Leghe diLeghe di alluminio
alluminio
Interfacce
Rivetti
Ø Interfacce
Involucri
Ø Rivetti viti e
Rivetti
vs etaccessi
al.
Involucri
Ø InvolucriPannelli
e accessi e accessi
removibili
Intelaiature
Ø Pannelli Pannelli
removibili removibili
Intelaiature
Strutture
Ø Intelaiature secondarie e terziarie
Strutture
Ø Strutture secondarie secondarie e terziarie
e terziarie
Trieste, 23 novembre 2011 12
Trieste, 23 novembre 2011 1
Trieste, 26 novembre 2019 12Processi del disegno meccanico – 4
-missione
-lancio
Identificare i requisiti
-ambiente
-requisiti
Sviluppare le sottosistemi
configurazioni di -involucro
iterazione
compattamento -accessibilita’
-opzioni
Considerare le costruzione
opzioni di disegno -opzioni
materiali
Scegliere la filosofia -criteri analisi
di disegno -criteri test
N
Disegno Y Soddisfa i Dimensionare la
dettagliato requisiti? struttura
Trieste, 26 novembre 2019 13Requisiti della struttura...
Ø Rigidità
Ø Misura del carico (=spettro frequenze vibrazione) che causa una distorsione
Ø Solidità
Ø Quantità di carico che la struttura può sopportare
Ø Stabilità di posizionamento
Ø Capacità di mantenere posizione e/o orientamento entro certi limiti
Ø ...
In pratica (rigidità):
Ø Risposta strutturale
o Intensità e durata vibrazioni in risposta a carichi esterni
Ø Frequenza naturale - “fondamentale”
Ø Frequenza a cui vibra quando soggetta a carichi esterni
temporanei
Ø Maggiore di un certo valore...
Trieste, 26 novembre 2019 14Filosofia di Disegno: criteri da seguire
Modelli / Test
Ø Fattori di carico l (input) (solidità)
Ø Carico e stress limite P=mg l ,σ=P/A
Ø Fattore di sicurezza s (input)
Ø Carico nominale da disegno P*=mg l s
Ø Stress nominale da disegno σ*=mg l s / A
Ø Carico e stress accettabile Pa,σa (materiale)
Margine di sicurezza MS= σa/σ*-1=Pa/P*-1
Rischio calcolato, ma non nullo !!!
Trieste, 26 novembre 2019 15Processi del disegno meccanico – 5
-missione
-lancio
Identificare i requisiti
-ambiente
-requisiti
Sviluppare le sottosistemi
configurazioni di -involucro
iterazione
compattamento -accessibilita’
-opzioni
Considerare le costruzione
opzioni di disegno -opzioni
materiali
Scegliere la filosofia -criteri analisi
di disegno -criteri test
N
Disegno Y Soddisfa i Dimensionare la
dettagliato requisiti? struttura
Trieste, 26 novembre 2019 16Dimensionare la Struttura Ø Selezionare la struttura (forma, tipo, materiale) Ø Determinare le dimensioni e la distribuzione di massa di tutte le componenti della struttura Ø Determinare i carichi, applicare i carichi considerati Ø Confrontare i risultati con i valori definiti dalla struttura nominale Ø Iterare il processo Trieste, 26 novembre 2019 17
Processi del disegno meccanico – Iter.
-missione
Identificare i requisiti -lancio
-ambiente
-requisiti
Sviluppare le sottosistemi
configurazioni di -involucro
iterazione
compattamento -accessibilita’
-opzioni
Considerare le costruzione
opzioni di disegno -opzioni
materiali
Scegliere la filosofia -criteri analisi
di disegno -criteri test
N
Disegno Y Soddisfa i Dimensionare la
dettagliato requisiti? struttura
Trieste, 26 novembre 2019 18Requisiti della struttura...
Ø Rigidità
Ø Misura del carico (=spettro frequenze vibrazione) che causa una distorsione
Ø Solidità
Ø Quantità di carico che la struttura può sopportare
Ø Stabilità di posizionamento
Ø Capacità di mantenere posizione e/o orientamento entro certi limiti
Ø ...
In pratica (rigidità):
Ø Risposta strutturale
o Intensità e durata vibrazioni in risposta a carichi esterni
Ø Frequenza naturale - “fondamentale”
Ø Frequenza a cui vibra quando soggetta a carichi esterni
temporanei
Ø Maggiore di un certo valore...
Trieste, 26 novembre 2019 19Dimensionamento1/3
Dimensionamento 1/3
Fascio
Fascio uniforme:
uniforme: massa
massa mb, m b, lungh.
lungh. L, raggio
L, raggio R, spessore
R, spessore t t
R
t
L
area
area trasversale
trasversale (A=2 Rt)
(A=2πRt)
Rigidità(frequenze
Ø Rigidità (frequenzelanciatore)
lanciatore)
modulodidiYoung
Young
modulo
carichiassiali:
Øcarichi assiali:∝ A/L
A/L==2π(R/L)t
2 (R/L)t
momento di inerzia
fax,natnat==0.250
fax, 0.250√ AAEE/ /mm b bL
L inerzia trasversale
trasversale (I= R3t)
(I=πR3t) “areale”
carichi laterali: I/L
Øcarichi laterali: ∝ I/L =π(R/L) t
3 3= (R/L) 3 3t “areale”
f = 0.560 I E / m
flat,lat,natnat= 0.560 √ I E / mb bL L
3 3
Trieste,
Trieste, 23 novembre
26 novembre 2019 2011 18 20Dimensionamento 2/3
carico assiale
Ø Solidità (carichi lanciatore)
carico laterale
ØPeq = Paxial + Plat = momento di torsione
= mb g lax + 2M/R =
= mb g lax + mb g llat L/R
ØPult = USF Peq
Øσult = Pult / A = Pult / (2πRt) < σult, mat
(da comparare con lo stress “ultimate” σult, mat, caratteristico
del materiale)
Ø Definito lo spessore t, aggiorno Pult e σult:
MS = “stress ultimate materiale” / ”ultimate stress” -1
Trieste, 26 novembre 2019 21Dimensionamento 3/3
Ø Stabilità (compressione)
Østress accettabile: σcr
σcr = 0.6 γ E t / R
γ = 1.0 – 0.901·(1.0-e-Φ)
Φ = 1/16 √ R/t
Øcarico accettabile: Pcr
Pcr = A σcr
Pult
Ømargine di sicurezza: MS
MS = “carico accettabile”/”carico ultimate applicato” -1 > 0
Conclusione: spessore richiesto, massa struttura
Trieste, 26 novembre 2019 22Processi del disegno meccanico
-missione
-lancio
Identificare i requisiti -ambiente
-requisiti
Sviluppare le sottosistemi
configurazioni di -involucro
iterazione
compattamento -accessibilita’
-opzioni
Considerare le costruzione
opzioni di disegno -opzioni
materiali
Scegliere la filosofia -criteri analisi
di disegno -criteri test
N
Disegno Y Soddisfa i Dimensionare la
dettagliato requisiti? struttura
Trieste, 26 novembre 2019 23Esempio
Ø fax, nat, flat, nat > 18 Hz
lanciatore
Ø lax=13, llat=6
Ø Cilindro
opzione costruzione
Ø L=1.4 m, R=0.6 m, mb=174 kg
Ø Alluminio 7075:
E=71·109 N/m2, ρ=2.8·103 kg/m3,
opzione materiale
σult=460·106 N/m2, σy=380·106 N/m2,
ν=0.33
Ø USF = 1.25, YMS = 1.10 filosofia disegno
Ø t=0.089 cm dimensionamento
Trieste, 26 novembre 2019 24Esercizio
Ø fax, nat >15 Hz ; flat, nat > 35 Hz lanciatore
Ø lax=6, llat=2
Ø Cilindro, L=4 m, R=1.3 m, mb=2089 kg opzione costruzione
Ø Alluminio 7075:
E=71·109 N/m2, ρ=2.8·103 kg/m3, opzione materiale
σult=524·106 N/m2, σy=448·106 N/m2
Ø USF = 1.25, YMS = 1.10 filosofia disegno
calcolare:
Ø Rigidità: tax= ?, tlat= ?
Ø Solidità: t = ?
Ø Stabilità ? massa = ?
Ø t=0.25 cm dimensionamento
Trieste, 26 novembre 2019 25Telecomunicazioni da/per
un satellite
Trieste, 26 novembre 2019 26SOTTO-SISTEMI Trieste, 26 novembre 2019 27
Sistemi di comunicazione
Ka-Band Ka-Band
Ka-Band
Ka-Band L-Band
L-Band
L-Band Ka-Band
L-Band Aero L-Band
Ka-Band
Solar
Phone
Booth I R I D IUM
IRIDIUM R
Mobile
Pager Subscriber
Unit
System (PSTN)
Control
☞Riceve segnali da Terra / da un altro satellite
☞Trasmette segnali a Terra / a un altro satellite
Trieste, 26 novembre 2019 Uplink Downlink 28Caratterizzazione 1/2
Ø Servizio
o Fisso: punto a punto (entrambi fissi)
o Mobile: punto a punto (uno o entrambi mobili)
o Broadcasting: punto a multipoint
o Data relay: space to space
Ø Copertura
o Globale
o Regionale
Ø Tecnologia
o RF
o Ottica: alte potenzialità per elevate velocità di trasmissione (data rate)
Ø Tipo di accesso
o Permette S/C di ricevere segnali simultaneamente da più GS
Trieste, 26 novembre 2019 29Caratterizzazione 2/2 Trieste, 26 novembre 2019 30
Utilizzo delle frequenze Trieste, 26 novembre 2019 31
Processo di Disegno del Sistema
Ø Identifica i requisiti
Ø Specifica: tipo dati, utenti, locazione utente, quantita’ di dati, Ground Station,
tempi di accesso, ritardi di trasmissione, disponibilita’...
Ø Verifica il possibile utilizzo di altri sistemi
Ø Identifica: collegamenti e posizionamento GS e “processing” gia’ in uso
Ø Considera l’uso di satelliti/GS “relay”
Ø Determina il data rate
Ø ncampioni·nbit/campione
Ø Disegna il collegamento
Ø Seleziona: frequenza, modulazione, attenuazioni, puntamento...
Ø Disegna l’antenna
Ø Seleziona: tipo, dimensioni, massa, guadagni, potenza …
Ø Documenta le ragioni della scelta
Trieste, 26 novembre 2019 32Data Rate
Data Rate: numero di bit di informazioni al secondo che devono
essere trasferiti lungo il collegamento
Sistemi digitali: segnali
analogici campionati e
quantizzati !
circuito vocale telefonico:
ncampioni=8000 campioni/s nbit/campione
8 bit/campione
⇒ data rate = 64 kbps
Teorema del campionamento:
un segnale analogico con fmax puo’ essere ricostruito
completamente da campioni presi ogni 1/(2 fmax) secondi
Esempio: musica di alta qualita’ fmax=20 Hz, CD
Trieste, 26 novembre 2019 player lavorano con un sample di 44.1 Hz 33Communication Link vs Architettura
receive 2 GS
& store relay
trasmette
store & forward (LEO) geostationary Molniya
cross-link in communication cross-link in communication
satellite system (GEO) satellite network (LEO)
Trieste, 26 novembre 2019 34Communication Link vs Architettura
receive 2 GS
& store relay
trasmette
store & forward geostationary Molniya
cross-link in communication cross-link in communication
satellite system satellite network
Trieste,
Trieste, 2611-14 Giugno
novembre 2007
2019 9 35Procedura di richiesta della frequenza
Ø Richiesta nazionale: FCC (usa) 1990
Ø Italia: richiesta internazionale ITU 1992
Ø ITU: World Administrative Radio Conferences
(WARC) 1992
Ø ITU: pubblica le regole 1995
IRIDIUM
Trieste, 26 novembre 2019 36Un po’ di teoria…
Trasmissione: (esempio downlink)
Antenna Antenna
isotropa direttiva
PT
Ps =
4π r 2
[
W/m 2
] Ps =
PT GT
[W/m 2
]
4π r 2
Ricezione:
PT GR 2 PT GT GR 2
PR = [W/m ] PR = [W/m ]
4π r 2
4π r 2
Trieste, 26 novembre 2019 37Analisi del collegamento
Trasmettitore S
Ricevitore
EIRP G/T
Ø Energy per bit (Eb), Noise density (No):
Eb = P Ll Gt Ls La Gr / R = EIRP Ls La Gr / R
figura di merito
No = k Ts (thermal energy)
trasmettitore
Eb/No = EIRP Ls La (Gr/Ts) / kR figura di merito
= (EIRP+Ls+La+Gr+228.6-R-Ts) dB ricevitore
Ø Trasmettitore: P=potenza, Ll=line loss, Gt=guadagno
=10 Log()
Ø Ricevitore: Gr=guadagno, Ts=noise temperature
Ø Sistema: R=data rate, Ls =space loss, La=path loss
Trieste, 26 novembre 2019 38Caratteristiche di un’antenna
Circular antenna beam
Ø Guadagno di picco: G
ØG ≅ π2 D2 η / λ2 ⇒ G ≅ η (21π109/cθ)2
Ø Half power width alla frequenza f (GHz): θ
Øθ = 21 / fD (gradi) ⇔ D = 21 / fθ [m]
Ø Riduzione di guadagno da offset di puntamento
e (gradi): Lθ ⇒ Gf = Lθ G
ØLθ = -12 (e/θ)2 dB
θ
coverage area
θ
Trieste, 26 novembre 2019 figure of merit 39Perdite
Ø Space loss: Ls
ØLs = (λ/4πs)2 s=path length
Ø Path loss (atmospheric & rain): La
Ø Noise Temperature: Ts
elevation angle
Trieste, 26 novembre 2019 40Modulazione 1/4
Amplitude Shift Keying s(t) = f(t) sin(2πfct + φ)
ASK
larghezza di banda
inalterata
Frequency Shift Keying s(t) = f1(t) sin(2πfc1t + φ) + f2(t) sin(2πfc2t + φ)
FSK
wide (narrow) band:
banda fc1- fc2 >> banda f1(t) - f2(t)
Trieste, 26 novembre 2019 41Modulazione 2/4
0 0
π/2
Phase Shift Keying s(t) = sin(2πfct + φ(t)) π
π 3π/2
PSK
BPSK
QPSK
MPSK
M fasi: 2πm/M
Signaling rate: numero di volte in cui cambia il parametro m=0,1,... M-1
del segnale (A, f, φ). Misura: baud
AFK, FSK, PSK: bit rate = signaling rate
QPSK, MPSK: bit rate > signaling rate
Trieste, 26 novembre 2019 42Modulazione 3/4 Trieste, 26 novembre 2019 43
Modulazione 4/4 Trieste, 26 novembre 2019 Phase/Frequency Shift Keying 44
Esempio
Ø Downlink analysis
Øf=2.2 GHz, R=17 Mbps, bit err rate=10-5
ØTrasmitter: P=13 dB, Ll=-1 dB, Gt=1.4 dB, et=70o
ØLs=-… dB (h=1000 km), La=-0.5 dB
ØReceiver: Gr=39.1 dB, er=0.2o, Ts=135 K
Øη=0.55
⇒ Eb/No = (EIRP+Ls+La+Gr+228.6-R-Ts) dB
⇒ Margine = (Eb/No) – (Eb/No)required – perdite
Ø Uplink analysis …
Trieste, 26 novembre 2019 45Esercizio (downlink)
Orbit & Geometry S/C
Altitude 600 km Antenna efficiency 0.55
Inclination 60 deg Pointing error 0.2 deg
Min. elevation angle 10 deg Transmitter Line Loss 3 dB
Antenna diameter 1m
Link Ground Station
f 12.6 GHz Antenna diameter 4 m
Modulation QSPK Antenna efficiency 0.65
Implementation loss 2 dB Pointin error 0.04 deg
Noise Temperature 135 K
Requirements Increase Noise due to rain 174.55 K
R 28.8 Gbps
Bit error rate 1.0E-05
Margin 3.5 dB
Evaluate the power of the S/C
transmitter!!!
Trieste, 26 novembre 2019 46Planning di una Missione Spaziale
Fase A Fase B Fase C Fase D
- studio di fattibilita’ - simulazioni - disegno finale - costruzione
-aspetti ingegneristici - test
-aspetti scientifici
- costi
⇒ specifiche tecniche e
scientifiche a istituti/
industrie
- Modello Strutturale QM
- Modello Elettrico (EMC)
- …. FM
Trieste, 26 novembre 2019 47Puoi anche leggere
