Architectural developments and simulation for DANCE GNC facility. Facility design and setup

Distributed systems and formation flying mission concepts are topics of particularly active research among space mission designers. Three major aspects benefit from the use of such concepts: flexibility, robustness and cost. However, the low level of maturity of technologies required to implement such mission architecture prevents their wide adoption. From here stems the necessity for experimental campaigns able to increase the TRL of space-unproven hardware and software. Under such premises, this thesis presents the design, testing and simulation of a 5 degree of freedom frictionless facility under development at the Aerospace Science and Technology Department of Politecnico di Milano for on-ground testing and validation of relative GNC techniques. In its final form the facility is supposed to include two robotic vehicles moving on a friction-less table. Each vehicle, dubbed DANCER, shall be able to autonomously navigate on the frictionless table by the mean of twelve cold gas thrusters. The presence of a levitating platform allows to simulate spacecraft rotational motion which is seemingly unaffected by gravity. Matching such condition is more easily said than done. The only way of simulating such condition is ensuring that the upper platform center of mass coincides with the center of rotations. Achieving the required level of accuracy in the compensation of center of mass offset is not trivial. From here stems the need for systematic and diligent development approach, which is the key to ensure aforementioned requirements are met. Objective of this thesis work is describing and motivating the architectural choices made during the development of DANCER as well as giving indications to guide future investigators taking up the development of the frictionless facility.

Lo studio di scenari di missione che fanno fanno affidamento su sistemi distribuiti e su tecniche di volo in formazione sono argomenti di ricerca tra i più attivi tra gli analisti di missione in ambito spaziale. Tre aspetti fondamentali beneficiano dell'uso di simili tecniche: flessibilità, robustezza e costo. Tuttavia il basso livello di maturità raggiunto dalle tecnologie necessarie per implementare queste strategie di missione ne previene un'ampia adozione. Da qui deriva la necessità di campagne sperimentali in grado di incrementare il TRL di hardware e software non testato in ambiente orbitale. A partire da queste premesse, questo lavoro di tesi si propone di mostrare il lavoro di progettazione, test simulazione per un simulatore dinamico a 5 gradi di libertà in stato di sviluppo presso il Dipartimento di Scienze e Tecnlogie Aerospaziali del Politecnico di Milano per la sperimentazione e validazione di tecniche di guida, navigazione e controlo. Nella sua forma finale la struttura includerà due veicoli robotici che si muovono su un piano a basso attrito. Ciascun veicolo, battezzato DANCER, sarà in grado di muoversi autonomamente sul piano a basso attrito per mezzo di dodici ugelli attuati ad aria compressa. La presensa di una piattaforma levitante permette la simulazione della dinamica di assetto di un satellite apparentemente non affetta dalla gravità. Replicare tale condizione è più facile a dirsi che a farsi. L'unico modo di riprodurre tale condizione è fare sì che il centro di massa della piattaforma per la simulazione d'assetto coincida con il suo centro di rotazione. Ottenere il livello di accuratezza richiesto nella compensazione dell'offset del centro di mass non è un problema di facile risoluzione. Da qui deriva la necessità di uno approccio sistematico a diligente allo sviluppo del veicolo robotico, che è la chiave per assicurarsi l'ottenimento degli obiettivi precentemente elencati. Obiettivo di questo lavoro di tesi è pertanto descrivere e motivare le scelte di architettura fatte durante le fasi iniziali di sviluppo della configurazione per DANCER e altresì sviluppare delle indicazioni utili a guidare i ricercatori che in futuro si troveranno ad affrontare lo sviluppo della piattaforma sperimentale.