Flexible systems design for autonomous capturing, manoeuvring and disposing of uncooperative space objects. Development of dynamics and control models and validation by experimental prototyping

Active debris removal (ADR) and on-orbit satellite servicing (OOS) are current hot topics in space research, regarding space exploitation sustainability and safety of future orbital operations. They deal with fully or partially uncooperative orbiting objects to be approached, captured and manoeuvred autonomously by another space vehicle. These tasks entail a high level of autonomy hence defining new challenges for Guidance, Navigation and Control (GNC). Validated simulation tools describing multibody dynamics, and their stabilization via control laws, are considered of primary importance for technology development, future missions design as well as experimental breadboard prototyping. To perform ADR and OOS tasks, different techniques are currently being investigated and this research focuses on two: tethered-nets to wrap and pull the target and robotic arms to grasp and push it. These technologies differ in the flexibility involved in different elements and connections and in their control. During the thesis work, a validated software tool was developed to describe the multibody dynamics involved in these scenarios and to enable fast analysis and GNC laws design and testing. Guidance and control laws for capturing and manoeuvring were also synthetized to demonstrate the feasibility of such kind of missions and study the performances of different control techniques to choose the most suitable with respect to every configuration and grasping technique. Accurate simulation results were obtained for all the considered techniques, to drive system design: tethered-net and robotic arm technologies were researched in detail from engineering design and control points of view. To validate the developed dynamics models and test the implemented control laws, prototyping and implementation of experimental breadboards as well as tests on the scaled prototypes were performed in relevant environments exploiting parabolic flights and air bearing facilities. Mathematical models selection and implementation, numerical studies, prototyping and design, experimental results and models validation are all detailed in this work.

La rimozione attiva dei detriti spaziali e la manutenzione dei satelliti in orbita sono temi attuali e importanti nella ricerca in ambito spaziale e riguardano la sostenibilità dello sfruttamento dello spazio e la sicurezza delle future operazioni orbitali. Essi prendono in considerazione la cattura e la manovra autonoma di oggetti orbitanti completamente o parzialmente non cooperativi da parte di un secondo veicolo spaziale. Queste attività comportano un grado elevato di autonomia e implicano, quindi, nuove sfide nella definizione dei sistemi di bordo per la guida, la navigazione e il controllo orbitali e d’assetto. Lo sviluppo di strumenti di simulazione validati, atti a descrivere le dinamiche multi-corpo e la loro stabilizzazione tramite leggi di controllo, sono considerati di primaria importanza sia per il progresso delle nuove tecnologie dedicate, sia per la definizione delle missioni future, sia, infine, per la prototipazione sperimentale. Per eseguire queste attività orbitali, diverse tecniche sono attualmente in fase di studio e questo lavoro di ricerca si concentra, in particolare, su due: reti di cattura per avvolgere e trainare l’oggetto con un cavo e bracci robotici per afferrarlo e spingerlo verso un’altra orbita. Queste tecnologie si differenziano per la flessibilità nelle diverse connessioni e per il loro controllo. Durante il lavoro di tesi, un ambiente di simulazione validato sperimentalmente è stato sviluppato per descrivere le dinamiche multi-corpo coinvolte nei diversi scenari e per consentire analisi numeriche veloci e la progettazione e verifica delle leggi di guida e controllo. Tali leggi, atte a catturare e manovrare in modo autonomo l’oggetto non cooperativo, sono state esse stesse sintetizzate nel lavoro di ricerca, per dimostrare la fattibilità di questo tipo di missioni e per studiare le prestazioni delle diverse tecniche di controllo al fine di scegliere le più adatte per ogni configurazione e tecnica di cattura. Risultati accurati sono stati ottenuti in simulazione per tutte le tecniche considerate, per guidare la progettazione del sistema: le tecnologie rete-rimorchiatore e braccio robotico sono state studiate nel dettaglio sia dal punto di vista del progetto di sistema che dal punto di vista della sintesi dei controllori di bordo. Per validare i modelli dinamici sviluppati e verificare le leggi di controllo implementate, sono stati realizzati dei prototipi in scala ridotta sui quali sono state eseguite prove sperimentali in ambienti rilevanti, ergo in assenza di gravità o di forze/coppie agenti, sfruttando voli parabolici o tavoli a basso attrito. Nel lavoro di tesi si trovano descritti in dettaglio la selezione e l’implementazione dei modelli matematici, gli studi numerici, la progettazione dei prototipi sperimentali e la loro realizzazione, l’analisi dei risultati sperimentali e la conseguente validazione dei modelli di dinamica e controllo.