Autonomous wheel off-loading strategies for deep-space CubeSats

In the last years, several deep-space CubeSats missions were announced, since such platforms enable possibilities of exploration and scientific return with relatively low-budget and short development times. However, they require careful trade-offs on design drivers such as mass, volume, and cost, while ensuring the possibility to perform autonomous operations. This work addresses the problem of saturation of the reaction wheels, proving the achievement of de-saturation, also known as wheel off-loading, without the need of using dedicated momentum-management actuators. The presented techniques show how it is possible to produce torques along at least two body axes by offsetting the main thruster or tilting differentially the solar arrays. The dumping on the third axis can be still accomplished by coupling a specific attitude trajectory with the motion of either the gimbal mechanism or the solar array drive mechanism. The M-Argo CubeSat is selected as a case study and an astrodynamics simulator is developed to test the techniques along its deep-space trajectory. The off-loading during the cruising arcs employs the gimballed thruster and dumps momentum to a residual value lower than 0.3 mNms in typically 3 h, granting a mass savings of more than 99% with respect to the usage of a reaction control system. During the coasting arcs, the solar arrays are tilted and several hours are required, depending on the Sun direction and intensity, but the propellant is completely saved. The autonomous decision-making for the different strategies is carried out with a state machine, which allows the accomplishment of the desaturation in any scenario. The simulator is validated and the trajectory is shown to have negligible differences with respect to the nominal one, since the thrust is corrected in such a way to account for the offset of the thruster and still provide the reference value along the original pointing vector. Finally, sensitivity analyses are carried out on the initial angular momentum components and the center of mass displacement to check the robustness of the algorithms.

Negli ultimi anni sono state annunciate diverse missioni di CubeSat in spazio profondo, in quanto consentono ampie possibilità di esplorazione e ritorno scientifico con un budget relativamente basso e tempi di sviluppo brevi. Ciò nonostante, il design di queste piattaforme richiede compromessi su diverse figure di merito, quali massa, volume e costo, e allo stesso tempo deve garantire la possibilità di eseguire operazioni in autonomia. Questa tesi affronta il problema della saturazione delle ruote di reazione, dimostrando la possibilità di effettuare la desaturazione senza la necessità di equipaggiare il satellite con degli attuatori dedicati alla gestione di questa problematica. Le tecniche presentate mostrano come sia possibile produrre momenti attono ad almeno due assi del satellite, disallineando il propulsore principale o ruotando in modo differenziale i pannelli solari. La rimozione del momento accumulato sul terzo asse può essere comunque realizzata, accoppiando una specifica traiettoria di assetto con una relativa al meccanismo di puntamento del propulsore o alla rotazione dei pannelli. Come caso di prova, la missione M-Argo è stata scelta ed un simulatore astrodinamico è stato sviluppato ad hoc per testare le tecniche durante la traiettoria del CubeSat. Le manovre effettuate durante gli archi di crociera sfruttano il meccanismo di puntamento del propulsore e permettono di ridurre il momento angolare ad un valore residuo inferiore a 0.3 mNms in tipicamente 3 h, garantendo un risparmio di massa di oltre 99% rispetto all'uso dei razzetti di controllo a reazione. Durante gli archi di coasting, invece, i pannelli solari vengono ruotati e la manovra richiede diverse ore, a seconda della direzione e dell'intensità della radiazione solare, ma il propellente non viene consumato affatto. Il processo di scelta tra le diverse strategie è autonomo e realizzato con una macchina a stati, che permette di ottenere la desaturazione in un qualsiasi scenario. Il simulatore è stato validato ed è stato dimostrato che la traiettoria ha differenze trascurabili rispetto a quella nominale, poiché la spinta viene corretta in modo tale da tenere conto del disallineamento del propulsore e da fornire il valore di riferimento lungo il vettore di puntamento originale. Infine vengono effettuate analisi di sensitività sul valore iniziale di momento angolare e sullo spostamento del centro di massa, per verificare la robustezza degli algoritmi.