La struttura di un satellite - Trieste, 4 dicembre 2020 - Moodle@Units
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La struttura di un satellite Trieste, 4 dicembre 2020 1
SOTTO-SISTEMI Trieste, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 3
Categorie
Strutture Primarie Strutture Secondarie
Strutture Terziarie
Trieste, 4 dicembre 2020 4
Esempio: carico per pressione atmosferica
T = 5.144 ×106 N/m2
Trieste, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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
4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 25Telecomunicazioni da/per
un satellite
Trieste, 4 dicembre 2020 26SOTTO-SISTEMI Trieste, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 29Caratterizzazione 2/2 Trieste, 4 dicembre 2020 30
Utilizzo delle frequenze Trieste, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre
Trieste, 2020 2007
11-14 Giugno 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 42Modulazione 3/4 Trieste, 4 dicembre 2020 43
Modulazione 4/4 Trieste, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 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, 4 dicembre 2020 47Puoi anche leggere
