Modeling and simulation of tethered orbiting systems

The objective of the present work is the development of a reliable model for tethered systems, to be implemented in a simulation environment for arbitrary multibody formations. The derivation of a model for tether elements sufficiently adherent to reality, but optimal in terms of computational cost is crucial. Then the determination of stable configurations for arbitrary formations is performed and verified through bibliography. The study considers orbital dynamics and formation dynamics separately focusing the most on the latter. The internal dynamics of the formation are composed by relative motion of rigid and flexible components, respectively spacecrafts and tethers. When relatively short tethers are considered a massless model is more appropriate because efficient in terms of simulation time, while when tethers are very long a massive model is adopted. A study on deployment and retrieval of different formations has been performed, in order to verify the feasibility of future applications. The software MATLAB is used to create the simulation environment in all its components. The simulations show how spin stabilized formations can be deployed in a stable configuration and the critical issues for future application are underlined.

L'obiettivo di questo studio è lo sviluppo di un modello affidabile per formazioni a cavo, da essere implementato in un simulatore di sistemi multibody arbitrari. Riuscire a trovare un modello che sia allo stesso tempo realistico e ottimale in termini di costo computazionale è fondamentale. In seguito sono stati analizzate delle configurazioni di equilibrio stabile per varie formazioni, confrontandole con la letteratura. In questo studio sono state separate la dinamica orbitale da quella interna alla formazione per concentrarsi maggiormente su quest'ultima. La dinamica interna è composta dal moto relativo di componenti rigidi, i satelliti, e di componenti flessibili, i cavi. In formazioni dotate di cavi di lunghezza contenuta, cioè paragonabile alle dimensioni dei satelliti, allora viene adottato un modello privo di massa per quanto riguarda i cavi. Al contrario quando si utilizzano cavi di lunghezza superiore un modello che ne consideri la massa. Nel simulatore sono state implementate le fasi di apertura e chiusura della formazione, per verificare il ciclo completo di formazioni dal possibile impiego futuro. L'ambiente di simulazione è interamente sviluppato in MATLAB. Le simulazioni dimostrano come formazioni in rotazione intorno ad un loro asse principale possano stabilizzare le fasi di apertura e chiusura e ne sottolineano anche gli aspetti critici per una applicazione futura di tali formazioni.