Towards a digital twin of a multi-axis shaker table for spacecraft testing

In the last decade the space sector has grown dramatically. The public and private companies are requiring a lot of launches for their small spacecraft (mainly micro-cubesats and nano-cubesats) to provide their own private services, such as telecommunication or positioning systems. To grant the surviving of the satellites during the launch and to reduce the risk of failure or abort of a mission, a series of certification and qualification procedures have been introduced by the space standardization organizations (e.g. ECSS). So, qualification tests are become mandatory, in particular in the structural field, where dynamic tests have to replicate the equivalent dynamic loads that the spacecraft must withstand during the launch phase. Dynamic testing is a fundamental step in the qualification process of space structures, which are subjected to several loads during the flight, such as shocks associated to the detachment of the launcher stages, vibrations induced by the engines and thermal stresses due to the external airflow. Dynamic tests are very expensive in terms of cost and time and for these reasons, the process to certify the success of launches have to be accelerated. A new technology can help this purpose, the virtual modelling and testing, called ’Digital Twin’. The structural analysis is usually carried out numerically on a virtual model and, in case of acceptable results, the required physical tests are performed. This thesis presents a preliminary study of a digital twin for a threeaxis shaker table for vibration testing. The structure is modelled to be the most accurate as possible to the dynamic behaviour of the physical one. A virtual environment has also been created, resembling the components and boundary conditions encountered during the physical test. The numerical simulations in the virtual environment are performed through different softwares, using a technique called ’co-simulation’. The procedure to set-up the co-simulation and the characterization of the model parameters are presented. Lastly, the results obtained from the physical tests and the differences with respect to the ones simulated with the virtual model are discussed.

Nell’ultima decade il settore spaziale è cresciuto in modo esponenziale. Le aziende pubbliche e private stanno richiedendo un gran numero di lanci per i loro satelliti di piccole dimensioni (principalmente micro-cubesats e nano-cubesats) per garantire i loro servizi privati come le telecomunicazioni o i sistemi di posizionamento. Per garantire la sopravvivenza dei satelliti durnate il lancio e ridurre il rischio di fallimento o aborto della missione, una serie di certificazioni e procedure di qualificazione sono state introdotte dall’organizzazione della regolamentazione spaziale (e.g. ECSS). Dunque, i test di qualificazione sono diventati obbligatori, in particolare nel campo strutturale, dove i test dinamici devono replicare i carichi dinamici equivalenti che i satelliti devono sostenere durante la fase di lancio. I test dinamici sono una parte fondamentale nel processo di qualificazione delle strutture spaziali che sono soggette a differenti carichi durante il volo, come shocks associati alla separazione degli stadi di un lanciatore, vibrazioni indotte dai motori e stress termici generati dal flusso d’aria esterno. I test dinamici sono molto costosi in termini di tempo e denaro e per queste ragioni, il processo per garantire il successo dei lanci devono essere accelerate. Una nuova tecnologia può essere di aiuto per questo scopo, la creazione di un modello e test virtuale chiamato ’Digital Twin’. L’analisi strutturale è solitamente eseguita attraverso una analisi numerica di un modello virtuale e in caso di risultati accettabili, il test fisico è eseguito sulla struttura fisica. Questa tesi presenta uno studio preliminare di un digital twin per un tavolo mosso da shakers sui tre assi per test vibrazionali. La struttura è modellata per essere la più accurata possibile rispetto al comportamento dinamico della parte fisica. Un ambiente virtuale verrà creato, assemblando i componenti e considerando le condizioni al contorno incontrate durante i test fisici. Le simulazioni numeriche nell’ambiente virtuale saranno eseguite attraverso softwares differenti, usando una tecnica chiamata ’co-simulazione’. Sarà presentata la procedura per creare la co-simulazione e la caratterizzazione dei parametri del modello. Infine, saranno discussi i risultati ottenuti dai test fisci e le differenze rispetto a quelli simulati con il modello virtuale.