Realistic modeling of electric thruster behaviour in accelerated hardware-in-the-loop simulations

The emerging trend in deep-space exploration focuses on developing autonomous spacecraft, particularly CubeSats. Achieving this goal addresses key challenges such as the constant need for human supervision during critical operations and limited communication opportunities in deep-space. As guidance, navigation and control (GNC) algorithms become more complex, Verification and Validation processes also grow more challenging. To tackle this, Hardware-In-the-Loop (HIL) simulation has gained prominence over the past decades, providing highly realistic testing by incorporating real system components instead of dynamic simulators. In this context, the EXTREMA project plays a key role, with the EXTREMA Simulation HUB (ESH) providing high-fidelity dynamic simulations of spacecraft-environment interactions to test autonomous GNC algorithms for CubeSats in deep-space missions. HIL simulations of interplanetary missions are enabled through similarity theory, creating a scaled system that precisely replicates the geometric, kinematic, and dynamic properties of the original. This approach significantly reduces simulation time, resulting in "accelerated" simulations. Achieving reliable results in HIL simulations requires a high degree of realism, that is the primary objective of this thesis. This work aims to replicate the operational behavior of an electric thruster using one of the core hardware components of the ESH: the ETHILE facility. After analyzing the operational conditions and misperformances affecting different types of electric thrusters, the study focuses on Beam-Out Events, which are short circuits between thruster grids managed by the power processing unit through a re-cycle sequence that turns the power supply Off and On, impacting thruster performance. Following the development and implementation of mathematical models, the discussion shifts to their deployment on the facility's single-board computer to control the hardware during HIL simulations. Finally, the models are validated and applied to a case study involving simulations conducted with the ETHILE facility.

La tendenza emergente nell'esplorazione dello spazio profondo si concentra sullo sviluppo di veicoli spaziali autonomi, in particolare dei CubeSat. Ciò risponde a sfide cruciali, come la necessità di supervisione umana nelle operazioni critiche e le limitate comunicazioni nello spazio profondo. Con l'aumento della complessità degli algoritmi di guida, navigazione e controllo (GNC), anche i processi di verifica e validazione diventano più impegnativi. Per affrontare questa sfida, le simulazioni Hardware-In-the-Loop (HIL) hanno acquisito importanza, fornendo test realistici grazie all'integrazione di componenti reali al posto di simulatori dinamici. In questo contesto, il progetto EXTREMA gioca un ruolo chiave, con l'EXTREMA Simulation HUB (ESH) che fornisce simulazioni dinamiche ad alta fedeltà delle interazioni veicolo spaziale-ambiente per testare algoritmi GNC autonomi di CubeSat interplanetari. Simulazioni HIL di missioni interplanetarie sono rese possibili tramite la teoria della similitudine, creando un sistema in scala che replichi con precisione le proprietà geometriche e dinamiche dell'originale. Questo approccio riduce significativamente i tempi di simulazione, generando simulazioni "accelerate". Ottenere risultati affidabili in simulazioni HIL richiede un alto grado di realismo, obiettivo principale di questa tesi. Questo lavoro si propone di replicare il comportamento operativo di un propulsore elettrico tramite uno dei componenti dell'ESH: ETHILE. Dopo un'analisi delle condizioni operative e delle prestazioni di diversi tipi di propulsori elettrici, lo studio si focalizza su un problema specifico che riguarda i propulsori ionici a griglia, noto come "Beam-Out Events", cortocircuiti tra le griglie del propulsore gestiti dall'unità di potenza mediante sequenze di riaccensione che influenzano le prestazioni del propulsore. A seguito dello sviluppo e dell’implementazione dei modelli matematici, la discussione si sposta sulla loro integrazione nel single-board computer utilizzato per il controllo hardware durante le simulazioni. Infine, i modelli sono validati e applicati a un caso pratico tramite simulazioni condotte con ETHILE.