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Progettazione e sviluppo di un sistema di docking autonomo tra una navetta e la Stazione Spaziale Internazionale

Università "La Sapienza"
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In ambito spaziale con il termine docking si indica il processo con il quale viene effettuato l’aggancio tra due veicoli spaziali in orbita. I sistemi di docking sono, quindi, indispensabili in tutte quelle missioni il cui obiettivo sia quello di dover eseguire l’aggancio o lo sgancio di moduli spaziali, navette destinate al rifornimento di una stazione, o allo scambio di equipaggio, per la manutenzione di sonde in orbita e per la separazione di un lander da un orbiter.

A partire dagli anni ’60 i sistemi di docking hanno subito una crescente evoluzione passando dall’utilizzo di una tecnologia prettamente manuale, ad un sistema completamente automatizzato e senza più il bisogno di alcun intervento da parte dell’uomo.

Lo scopo di questo lavoro è stato, quindi, lo studio di uno specifico sistema di docking atto a caratterizzare i principali vantaggi e svantaggi dello stesso, la ricostruzione su MSC Adams nella maniera il più fedele possibile alla realtà, e la verifica dell’effettivo funzionamento in particolari condizioni operative. Infine, una volta identificate le principali problematiche di carattere meccanico in termini di forze di contatto, è stato sviluppato un modello alternativo in grado di fornire un netto miglioramento delle specifiche del sistema in termini di pesi, costi e operabilità nelle stesse condizioni di funzionamento.

[caption]Modello completo Modello completo [/caption]

Il sistema di docking preso come oggetto di studio è stato quello attualmente utilizzato dall’Automated Transfer Vehicle, il veicolo cargo ESA usato per il rifornimento della Stazione Spaziale Internazionale mediante l’aggancio all’interfaccia di docking passiva posta sul modulo del segmento russo Zvezda.

Il modello implementato su Adams è stato, quindi, comprensivo di tutti i moduli costituenti l’ISS e della navetta ATV, per un totale di 52 corpi, 48 giunti e 4 leggi di moto (vedi Figure 1 e 2).

[caption]Modello del sistema di docking probe and drogueModello del sistema di docking probe and drogue[/caption]

Il sistema di docking dell’ATV è del tipo probe and drogue (vedi Figura 2), ovvero, è costituito da due differenti interfacce di cui una attiva destinata all’aggancio ed una passiva destinata ad essere agganciata. Il primo contatto tra le due interfacce, detto anche soft – docking, si verifica nella zona centrale del sistema e l’aggancio vero e proprio consta di tre fasi: avvicinamento fino all’area di cattura, primo contatto e hard – docking (aggancio tra gli anelli delle interfacce esterne). Questo sistema di docking si distingue dall’APAS (vedi Figura 3), usato dall’Apollo, essenzialmente per il fatto che il primo contatto avviene centralmente all’anello di docking, mentre in APAS si sviluppa sulla periferia dell’anello esterno e, per questo motivo, viene detto sistema di docking periferico. In più APAS è anche un sistema di docking androgino, ovvero, la stessa interfaccia può sia agganciare che essere agganciata e questa caratteristica presenta alcuni vantaggi rispetto al sistema probe and drogue.

[caption]Sistema di docking periferico e androgino (Nasa Docking System)Sistema di docking periferico e androgino (Nasa Docking System)[/caption]

Per prima cosa, infatti, un sistema androgino è ridondante in quanto in caso di malfunzionamento di un’interfaccia, è possibile utilizzare l’altra, tuttavia, a causa del fatto che il soft – docking si verifica in tre punti specifici dell’anello esterno e non all’interno di un’area come nel caso del sistema centrale, il livello di precisione richiesto al sistema di controllo è nettamente superiore, la modellizzazione delle forze di contatto è più complessa e il tempo disponibile per la cattura è molto breve. Pertanto, in questo lavoro, si è deciso di studiare il funzionamento del sistema di docking centrale dell’ATV in particolari condizioni operative reali e di svilupparne un equivalente androgino in grado di rispondere allo stesso modo alle medesime condizioni di funzionamento ma, progettandolo in modo da ottenere un sistema con caratteristiche di ridondanza e pesi e costi inferiori.

Il modello così ottenuto è rappresentato in Figura 4 dove si nota che le principali modifiche del sistema hanno riguardato il mandrino e il cono del drogue, nonché la struttura portante del probe, responsabile del mantenimento dell’assetto desiderato una volta effettuato il soft – docking.

[caption]Modello del sistema di docking modificatoModello del sistema di docking modificato[/caption]

Il sistema così rielaborato è costituito di tre parti:

·      La testa del probe contenente le alette responsabili del primo contatto con l’interfaccia passiva;

·      Il mandrino, realizzato con una tecnologia innovativa che permette di minimizzare gli ingombri permettendo di srotolarsi da un rocchetto e assumendo la forma cilindrica voluta una volta dispiegato completamente;

·      I petali, posti su un apposito disco che dispiegandosi permettono di bloccare la testa del probe all’interno dell’area di cattura nel cono del drogue opportunamente modificata.

Si vuole specificare il fatto che è stato elaborato un sistema di controllo il più semplice e realistico possibile in grado di permettere solamente la corretta successione di eventi rappresentativi delle diverse fasi del docking, così come descritte precedentemente. Il sistema di controllo utilizzato è stato, quindi, di tipo proporzionale derivativo sulla distanza e l’assetto relativi tra il centro di massa dell’ATV e quello dell’interfaccia di docking posta sul modulo Zvezda. Tale sistema è stato interamente costruito in SIMULINK ed effettuando con Adams una co-simulazione: durante il calcolo le variabili di spostamento e velocità relative, in output da ADAMS, venivano elaborate da SIMULINK per aggiornare, come input ad ADAMS, le forze e coppie agenti sul centro di massa dell’ATV. L’apertura delle alette poste sulla testa del probe e dei petali posti sul disco sono state, invece, simulate mediante una dinamica inversa in grado di permettere l’apertura fino all’angolazione desiderata. L’intero sistema di controllo è basato sull’apertura delle alette da cui partono in cascata gli algoritmi delle fasi successive, per cui, introducendo un disturbo random sulla distanza relativa di  3 cm in posizione e di 0.03° in assetto, il sistema non è più in grado di completare l’aggancio. Si è comunque soddisfatti dei risultati ottenuti in quanto questi non solo rispettano i vincoli di funzionamento dettati dalle caratteristiche dei sensori di misura presenti a bordo dell’ATV, ma il funzionamento è garantito anche per condizioni operative peggiori.

La sequenza di docking ottenuta nella condizione di funzionamento nominale per il sistema modificato, è riportata in Figura 5.

Possibili sviluppi futuri potranno senz’altro riguardare la costruzione di un sistema di controllo più complesso ed efficiente, un’analisi strutturale del sistema modificato e un’analisi di ottimizzazione dal punto di vista dei materiali utilizzati, dei pesi e dei costi.

[caption]Sequenza di docking del sistema modificatoSequenza di docking del sistema modificato[/caption]

 

Autrice:
Sheila Spina
Università degli studi di Roma La Sapienza

Riferimenti on-line

·         http://www.nasa.gov

·         http://www.jena-optronik.de/en/aocs/rvs.html

·         http://www.sodern.com/sites/en/ref/Rendez-vous-sensor_54.html