Reflectivity control devices for continuous momentum management of reaction wheels

Reaction wheels are the most common actuators for three-axis attitude control of a spacecraft in orbit. However, either thrusters or magnetotorquers are always needed for momentum management since the rotors inevitably drift toward sat- uration due to the accumulated effect of external torques. This thesis examines the implications of incorporating Reflectivity Control Devices (RCDs) on satellite's solar arrays, exploiting the Solar Radiation Pressure, the force generated by impinging photons, to produce a torque. This would en- able a significant enhancement over desaturation strategies by demonstrating a novel, propellant-free and low mass approach to induce a turning force that con- tinuously acts against the momentum loading of the wheels. The control logic presented modulates the RCDs according to an optimization problem that minimizes the difference between the feasible control and an ideal one. The scenarios implemented are a quasi-halo orbit around L2 point, in the Earth- Moon system, and a geostationary orbit around the Earth, both analysed in the case of sun-pointing and nadir-pointing. Realistic simulations showed the fea- sibility of the control in managing the saturation, with particular good results in the GEO case. The method can be successfully applied to control the rise of wheels' angular momentum without loosing the nominal pointing attitude.

Le ruote di reazione sono gli attuatori più utilizzati per il controllo d'assetto di un veicolo spaziale in orbita. Tuttavia, propulsori o attuatori magnetici sono comunque necessari per la gestione del momento angolare di questi dispositivi. Infatti, la continua correzione delle coppie di disturbo a cui il satellite è soggetto, portano inevitabilmente alla saturazione delle ruote. Questa tesi esamina le implicazioni riguardanti l’installazione di Reflectivity Control Devices (RCD) sui pannelli solari del satellite, per produrre un momento torcente sfruttando la pressione della radiazione solare. L’analisi apporta un sensibile miglioramento delle strategie di desaturazione delle ruote dimostrando un approccio innovativo che sfrutta dei dispositivi con massa trascurabile e che non necessitano di carburante, allo scopo di indurre una forza di rotazione che agisca in modo continuo contro i disturbi d’assetto. La logica di controllo implementa un problema di ottimizzazione al fine di minimizzare la differenza tra la coppia di forze creata dai RCDs e un controllo ideale. Gli scenari analizzati sono un’orbita quasi-halo attorno al punto Lagrangiano L2 del sistemaTerra-Luna e un'orbita geostazionaria attorno alla Terra, entrambi valutati nelle condizioni di puntamento del sole o della verticale al corpo celeste. Le simulazioni implementate hanno dimostrato la capacità del modello proposto nella gestione della saturazione, con risultati particolarmente soddisfacenti nel caso di orbita GEO. Concludendo, il metodo può essere applicato con successo alla gestione della crescita del momento angolare delle ruote di reazione senza dover perdere l’assetto nominale di missione.