Propulsion subsystem design through Model-Based and Data-Driven System Engineering automated toolchain

Traditionally, Systems Engineering is document-based and this approach suffers from difficulties in managing and reusing information, inconsistencies from one documentation to another, and communication problems among stakeholders. Mostly in the space sector, systems are becoming too elaborate, and missions are increasingly complex to the point that text descriptions alone are not adequate anymore. Model-Based Systems Engineering (MBSE) helps to improve the management of system complexity, optimize the communication among different teams and stakeholders and allow early assessment of system design. The thesis presents the development of a new agile MBSE methodology capable of meeting the tight timelines, limited budgets and resources typical of small satellites design. It consists of the development of a toolchain that maximizes the potentiality of the synergy between two different Model-Based and Data-Driven System Engineering tools, which are Capella and Valispace. Within this approach, the coherence between the design of the system and its requirements is guaranteed, as well as the automation of their updating and traceability. The thesis aims also to assess the benefits of the use of MBSE in the design of the propulsion subsystem, defining with a decision-making tool a novel design methodology. Starting from the sizing and design of the most promising propulsion systems for small satellites, a tailored algorithm proposes a subset of the best technologies considering not only their performances but also considering in a concrete and quantified manner the complexities of their integration in the satellite platform and all the constraints imposed in it.

Tradizionalmente, l'ingegneria dei sistemi è basata su documenti ma questo approccio evidenzia difficoltà nella gestione e nel riutilizzo delle informazioni, incoerenze da una documentazione all'altra e problemi di comunicazione tra le parti interessate. Soprattutto nel settore spaziale, i sistemi diventano sempre più elaborati e le missioni sono sempre più complesse al punto che le sole descrizioni testuali non sono più adeguate. Un approccio Model-Based Systems Engineering (MBSE) aiuta invece a migliorare la gestione della complessità del sistema, a ottimizzare la comunicazione tra i diversi team e le parti interessate e a consentire una valutazione rapida della progettazione del sistema. La tesi presenta lo sviluppo di una nuova metodologia MBSE agile in grado di soddisfare le tempistiche strette, i budget limitati e le risorse tipiche nella progettazione di piccoli satelliti. Si tratta dello sviluppo di una catena di strumenti che massimizza le potenzialità della sinergia tra due diversi mezzi Model-Based e Data-Driven, ovvero Capella e Valispace. Con questo approccio, viene garantita la coerenza tra la progettazione del sistema e i suoi requisiti, nonché l'automazione del loro aggiornamento e della loro tracciabilità. La tesi studia anche i benefici dell'uso di un approccio MBSE nella progettazione del sottosistema propulsivo, definendo, insieme ad uno strumento decisionale, una nuova metodologia di progettazione. Partendo dal dimensionamento e dalla progettazione dei più promettenti sistemi propulsivi per piccoli satelliti, un algoritmo propone un sottoinsieme di migliori tecnologie tenendo conto non solo delle loro prestazioni, ma anche considerando in modo concreto e quantificato le complessità della loro integrazione nel satellite e tutti i vincoli in esso imposti.