Numerical methods for base force estimation in space structure vibration test

Space exploration, traditionally exclusive to governments, has attracted the interest of the private sector in recent years, developing the New Space era founded on three revolutionary principles: low cost, reduced timelines and mass production of small satellites. This marks a departure from the conventional framework by requiring a reevaluation of established procedures. This work aims to contribute towards standardizing the processes to be applied during the vibration test campaign, a crucial phase of mission development, during which the space structure's resistance to the loads it will experience during launch is verified. In performing these tests, it is critical to avoid overtesting the satellite, so the input is reduced around the first global resonance by applying the Force Limiting method. However, measuring these forces is not easy because budget constraints prevent the necessary instrumentation and the lack of communication between the private company developing the satellite and the Launcher Authority prevents information from the CLA. In this paper, numerical methods are then studied that can estimate these loads by combining analytical data, derived from analyses on FEM, with measurements from accelerometers mounted on the structure during testing. These computational strategies are classified into three macro categories, MOP, FRF, and SE, based on the Sum of Weighted Accelerations method, frequency characteristics, and static reduction of FEM, respectively. The methods were implemented, validated on a representative FEM of SAT, a micro-satellite for Earth observation, and finally applied to real vibration test data of two Proto-Flight models of SAT. The methods, in a few seconds of execution, provided accurate estimates of the interface forces, with more or less important errors depending on different contexts of applicability, for instance depending on the type of test (sine or random), the accuracy of the available analytical data or the separation between the resonances of the structure to be vibrated.

L'esplorazione spaziale, tradizionalmente prerogativa dei governi, negli ultimi anni ha attirato l'interesse del settore privato, sviluppando l'era New Space fondata su tre principi rivoluzionari: bassi costi, tempi ridotti e produzione in serie di piccoli satelliti. Ciò segna una netta deviazione dal contesto convenzionale richiedendo una rivalutazione delle procedure consolidate. Questo lavoro offre un contributo alla standardizzazione dei processi da applicare durante la campagna di test di vibrazione, fase cruciale dello sviluppo di una missione, durante la quale si verifica la resistenza della struttura spaziale ai carichi che subirà durante il lancio. Nell'eseguire questi test è fondamentale evitare di sovra testare il satellite, per cui l'input viene ridotto attorno alla prima risonanza globale applicando il metodo della limitazione delle forze d'interfaccia. Tuttavia misurare tali forze non è semplice in quanto i vincoli di budget impediscono di usufruire della strumentazione necessaria e l'assenza di comunicazione tra l'azienda privata che sviluppa il satellite e l'autorità di lancio impedisce di avere informazioni dalla CLA. In questo lavoro vengono quindi studiati dei metodi numerici in grado di stimare tali carichi combinando i dati analitici, derivanti da analisi su FEM, con le misurazioni degli accelerometri montati sulla struttura durante il test. Queste strategie computazionali sono classificate in tre macro categorie, MOP, FRF e SE, basate rispettivamente sul metodo della somma delle accelerazioni ponderate, sulle caratteristiche in frequenza e sulla riduzione statica del FEM. I metodi sono stati implementati, validati su un FEM rappresentativo di SAT, un micro-satellite per l'osservazione della Terra, e infine applicati a dati reali dei test di vibrazione di due modelli Proto-Flight di SAT. I metodi, in pochi secondi di esecuzione, hanno fornito stime accurate delle forze d'interfaccia, con errori più o meno importanti in base ai diversi contesti di applicabilità, ad esempio in base al tipo di test (sine o random), all'accuratezza dei dati analitici disponibili o alla separazione tra le risonanze della struttura da vibrare.