Design of a high-angle pointing mechanism for thrust vector control

With the rising of space applications such as debris removal and in-orbit servicing, there is a new-found need for increased adaptability and flexibility of spacecraft. This thesis aims to address this need and provide a viable solution. The core objective has been to produce a conceptual Thrust Vector Control (TVC) mechanism capable of high angles of deflection, thereby granting the spacecraft with enhanced manoeuvrability and versatility. A literature review and state-of-the-art investigation were made before identifying the most suitable approach using an unbiased decision-making process. The Thruster Point ing Mechanism (TPM) design incorporates a multidisciplinary approach including fluidic, structural, and kinematic analyses. These analyses have been used to estimate the mech anism’s characteristics such as pressure drop, vectoring workspace, and load-carrying capabilities. The final design utilises an innovative approach of 3D printing the fluidic structural elements with embedded channels for propellant feeding. This is made possible by using rotary unions for the rotary fluidic connections. Structural integrity was ensured through preliminary analysis and further validated with a structural assessment, which showed positive margins of safety in all representative load scenarios. The final design exceeded deflection angle requirements, albeit with some volume and mass excesses. This thesis serves as a proof of concept for such a TVC mechanism and sets the foundation for developing a system that provides spacecraft with enhanced flexibility and agility.

Con l’aumento delle applicazioni spaziali, come la rimozione dei detriti e l’assistenza in orbita, è emersa la necessità di una maggiore adattabilità e flessibilità dei veicoli spaziali. Questa tesi punta a rispondere a questa esigenza e a fornire una soluzione pratica. L’obiettivo principale è stato quello di produrre un meccanismo concettuale di Thrust Vector Control (TVC) in grado di raggiungere elevati angoli di deflessione, garantendo così al veicolo spaziale una maggiore manovrabilità e versatilità. È stata effettuata una ricerca bibliografia e un’indagine sullo stato dell’arte prima di identificare l’approccio più valido utilizzando un processo decisionale imparziale. Il progetto del Thruster Pointing Mechanism (TPM) comprende un’analisi multidisciplinare che include analisi fluidiche, strutturali e cinematiche. Queste analisi sono state utilizzate per stimare le caratteristiche del meccanismo, come la caduta di pressione, lo spazio di lavoro vettoriale e le capacità di carico. Il progetto finale utilizza un approccio innovativo che prevede la stampa 3D degli elementi strutturali fluidici con canali incorporati per l’alimentazione del propellente. Ciò è reso possibile dall’utilizzo di raccordi rotanti per le connessioni fluidiche rotanti. L’integrità strutturale è stata garantita dall’analisi preliminare e ulteriormente convalidata con una valutazione strutturale, che ha mostrato margini di sicurezza positivi in tutti gli scenari di carico rappresentativi. Il progetto finale ha superato i requisiti dell’angolo di deflessione, anche se con alcuni eccessi di volume e di massa. Questa tesi serve come prova di concetto per un meccanismo TVC di questo tipo e pone le basi per lo sviluppo di un sistema che fornisca ai veicoli spaziali una maggiore flessibilità e agilità.