Spacecraft flexible dynamics modeling for accurate attitude control design

This thesis represents a six months collaboration between Politecnico di Milano and OHB-Italy in the context of an internship as part of the Attitude and Orbital Control Subsystem Team. The study focuses the attention on the problem of vibrations and their impact on the attitude dynamics of a satellite. The main purpose is to develop a MatLab Simulink code to simulate the flexible attitude dynamics. Starting from the basic notions of structural dynamics and attitude control, the equations of motion of the multibody system are formulated analytically by means of the Lagrangian Formalism in Quasi-Coordinates. The second step involves the addition of joints flexibility under some simplifying hypothesis. Once the analytical model is translated in a numerical code, the validation process can start. The validation step is based on the using of NASTRAN for what concerns the structural part, and on official papers and expected results as term of comparison with the predicted dynamic response. The study, then, figures out the relative importance of the most important parameters affecting the structural and dynamic properties of the system by means of a sensitivity analysis. The last part proposes a case study that uses the Trace Gas Orbiter as baseline to explain how the code can be used to design and check the compliance of the mission profile with the requirements of the attitude and control subsystem.

la tesi rappresenta una collaborazione tra Politecnico di Milano e OHB-Italia nel contesto di un internship come parte del team di AOCS. Lo studio focalizza l'attenzione sul problema delle vibrazioni e del loro impatto sulla dinamica di assetto. Lo scopo principale è quello di sviluppare un codice MatLab Simulink in grado di simulare la dinamica di assetto flessibile. Introducendo la nozioni basilari di dinamica strutturale e di assetto le equazioni del moto vengono formulate analiticamente attraverso il formalismo di Lagrange in quasi coordinate. Il secondo passaggio introduce la flessibilità dei giunti di attacco dei pannelli alla piattaforma sotto alcune ipotesi semplificative. Una volta ottenuto il modello analitico e tradotto in codice numerico la fase di validazione può iniziare. Essa si basa sulla comparazione con il software NASTRAN per la parte strutturale e sulla comparazione dei risultati con articoli ufficiali e risultati attesi per la parte di risposta dinamica. Lo studio poi evidenzia i diversi contributi dei parametri sulle proprietà strutturali e dinamica attraverso un' analisi di sensitività. L'ultima parte considera un caso studio basato sul Trace Gas Orbiter per spiegare come possa essere utilizzato il codice per il design e il controllo dei requisiti del controllo d' assetto.