Model-based simulation of a cold gas thruster : an experimental approach

The technological progress of the past 20 years led to the development of powerful computers, the miniaturization of sensors and the growth of the Internet of Things that enables a rapid exchange of information. All these aspects fostered the diffusion of a new approach to tackle the engineering challenges which is referred to as model-based engineering, namely the exploitation of computer models to support the design of objects or systems and reduce the development costs and time. Within this engineering trend, Digital Twins play a key role. These tools are virtual entities which, via accurate models and an exchange of data with the real world, reproduce the behavior of their physical counterparts. Having this concept in mind, this thesis has the purpose of laying the foundation for the construction of a Digital Twin of ETHILE, a thruster experiment inside the Extrema Simulation Hub, a facility aimed at testing autonomous guidance and navigation algorithms via HIL simulations. Since the setup of the facility is still in progress, a Digital Twin can be employed to support the design choices and assist the implementation of control routines for the thruster operation while reducing the development time. To achieve the objective, it is firstly necessary to characterize the actual behavior of ETHILE: firing tests are carried out to collect data and understand which aspects need to be modelled. As the initial phase of characterization is concluded, the work focuses on the implementation of the Digital Twin. Since the interest is on the generated thrust profile, only the pneumatic part is investigated. Using Simulink, a software that enables the simulation of multi-domain models, a virtual library of all the ETHILE main components is generated. Each block is independent from the others, highly parametric, to test different configurations, and reproduces the physical effect of the real-world object. Using the library blocks, a Digital Twin is proposed; numerical values, associated to the actual facility, are provided to the model and simulations are performed to assess the proper operation of each block and compare the results with the behavior of the facility.

I progressi tecnologici degli ultimi 20 anni hanno portato all’aumento della potenza di calcolo, alla miniaturizzazione dei sensori e alla diffusione dell’Internet of Things, strumento che permette un rapido scambio di informazioni; tutti questi fattori hanno contribuito alla diffusione di un nuovo approccio per affrontare le sfide ingegneristiche chiamato model-based engineering, ovvero l’utilizzo di modelli virtuali per supportare la progettazione di oggetti o sistemi, riducendo costi e tempi di realizzazione. All’interno di questo filone un ruolo fondamentale è svolto dai Digital Twins. Questi strumenti, mediante modelli accurati e scambi di dati con l’oggetto fisico, hanno la capacità di riprodurre il comportamento della controparte fisica, aiutandone il processo di sviluppo. Sfruttando questa idea, la tesi si propone di gettare le fondamenta per la costruzione di un Digital Twin di ETHILE, un thruster all’interno di una simulazione Hardware-In-the-Loop capace di riprodurre il funzionamento di un satellite. Poiché il progetto è ancora in fase di sviluppo, il Digital Twin può essere sfruttato per testare scelte progettuali e assistere l’implementazione del sistema di controllo del thruster riducendo i tempi di sviluppo. Per ottenere tale risultato è necessario caratterizzare il comportamento di ETHILE: vari test vengono eseguiti per raccogliere dati e individuare quali aspetti è necessario modellare. Conclusa la fase di caratterizzazione, si procede alla creazione del Digital Twin; essendo interessati al solo profilo di spinta generato dal thruster, sono riprodotte unicamente le componenti pneumatiche. Mediante Simulink viene creata una libreria dei principali componenti di ETHILE nella quale ogni elemento è indipendente dagli altri, parametrico (per poter testare diverse configurazioni) e riproduce l’effetto fisico dell’oggetto reale. Il modello preliminare di Digital Twin è infine creato sfruttando gli elementi della libreria e fornendo ad esso parametri realistici sulla base dei quali effettuare varie simulazioni, valutare il corretto funzionamento di ogni sotto-sistema e confrontare i risultati ottenuti con il comportamento reale della facility.