Design, prototyping and testing of a reaction wheel assembly for an air-bearing spacecraft attitude simulator

In the last two decades, the number of small satellites launched per year has grown at nearly exponential rates. However, despite the increasing number of launches, a problem yet to be addressed in order to establish themselves as an even more disruptive technology is their high failure rate. This can be explained by both the impossibility of testing complex systems in their operational environment, the space, and the cheapness and affordability of the employed technologies, especially for small satellites developed by universities or smaller agencies. A methodology to allow additional testing capabilities at relatively low costs is represented by Hardware-In-the-Loop (HIL) simulations, a technique for performing system-level testing of embedded systems in a comprehensive, cost-effective, and repeatable manner, increasing the chances of success of the mission. In this framework, the EXTREMA project, which aims at achieving autonomous guidance and navigation on CubeSats, will exploit the possibilities of HIL simulations through the development of a testing facility, the EXTREMA Simulation Hub (ESH), in which integrated simulations of guidance, navigation, and control (GNC) systems for deep-space CubeSats will be performed. A key component of the ESH is an attitude simulation platform that will mimic the attitude dynamics of a CubeSat during an interplanetary transfer. The main focus of this thesis is to develop a system, based on reaction wheels, to control the attitude behavior of the simulator, allowing it to reproduce the spacecraft orientation during the transfer. To do so, the reaction wheels will be sized as to fulfill the mission requirements and minimizing their power demand. Moreover, a mathematical and numerical model of the platform will be developed in Simulink to assess the performances of the control system, designed to control the orientation along three orthogonal axes. Furthermore, the hardware components will be selected in the attempt to reduce the costs and size of the system, and will then be integrated to obtain the first prototype of a single reaction wheel assembly. A series of tests will be carried out with the chosen components in order to assess their performances and validate the mathematical model.

Negli ultimi due decenni, il numero di piccoli satelliti lanciati ogni anno è cresciuto a tassi quasi esponenziali. Tuttavia, nonostante il numero crescente di lanci, un problema ancora da affrontare per affermarsi come una tecnologia ancora più dirompente è il loro alto tasso di insuccessi. Ciò può essere spiegato sia dall'impossibilità di testare sistemi così complessi nel loro ambiente operativo, lo spazio, sia dall'economicità e convenienza delle tecnologie impiegate, specialmente per piccoli satelliti sviluppati da università o agenzie più piccole. Una metodologia per migliorare la fase di testing a costi relativamente bassi è rappresentata dalle simulazioni Hardware-In-the-Loop (HIL), una tecnica per eseguire test di sistemi embedded in modo completo, conveniente e ripetibile, aumentando le possibilità di successo della missione. In questo quadro, il progetto EXTREMA, che punta a raggiungere l'obiettivo di guida e navigazione autonoma per CubeSat, sfrutterà le possibilità offerte dalle simulazioni HIL sviluppando una struttura di test, l'EXTREMA Simulation Hub (ESH), in cui verranno eseguite simulazioni dei sistemi di guida, navigazione e controllo (GNC) per CubeSat nello spazio profondo. Un componente chiave dell'ESH è una piattaforma di simulazione dell'assetto che imiterà la dinamica dell'assetto di un CubeSat durante un trasferimento interplanetario nello spazio profondo. L'obiettivo principale di questa tesi è sviluppare un sistema, basato su ruote di reazione, per controllare il comportamento di assetto del simulatore, consentendogli di riprodurre l'orientamento del veicolo spaziale durante il trasferimento. Per fare ciò, le ruote di reazione saranno dimensionate in modo da soddisfare i requisiti della missione e ridurre al minimo la loro richiesta di potenza. Inoltre, sarà sviluppato un modello matematico e numerico della piattaforma in Simulink, per valutare le prestazioni del sistema di controllo, progettato per controllare l'orientamento lungo tre assi ortogonali. In seguito, verranno selezionati i componenti hardware del sistema nel tentativo di ridurre i costi e le dimensioni, per poi essere integrati per ottenere il primo prototipo di un'unica ruota di reazione. Verrà effettuata una serie di prove con i componenti scelti al fine di valutarne le prestazioni e validare il modello matematico.