Internal fluid sloshing coupling with satellite attitude dynamics and control using advanced SPH modelling techniques

The slosh dynamic is a complex and well-studied topic in the gravitational environment; its main applications are various and include assorted fields such as automotive or naval. However, as satellite requirements become stricter while carrying larger quantities of fuel, the description of this phenomenon in low-gravity environments becomes a matter of study in order to develop control systems that could meet the set requirements and reduce the disturbance effect on the guidance and navigation system. This thesis has the scope of developing and testing a new methodology, implementing high-precision simulations with the aim of having a strong and reliable simulation environment to test and tune satellite missions with large fuel storage, ensuring the required performances. This requires a deep test of the methods to simulate the slosh dynamics from an equivalent mechanical model to ensure the goodness of the more advanced simulation technologies such as computational fluid dynamics (CFD) or smoothed-particle hydrodynamics (SPH) that are going to be used. Given the simulation environment tested, the scope of this thesis is to close the loop and integrate innovative controllers to ensure the set requirements. Starting from the controlled system proposed by the literature, the results are in line with expectations. The coupling of detailed fluid simulations and advanced control techniques concludes the work on attitude control developed in this thesis. The use of Model Predictive Control (MPC) has to be considered as the new standard for high-performance and complicated environments. Its use is coupled with the integration of a neural network to improve its prediction capabilities. The implementation summarises all the development done, using generated data from the closed-loop simulation, creating an innovative solution for the described setting, and using the developed simulation tool for the tuning and testing phase.

La dinamica del movimento del liquido (sloshing) è un argomento complesso e ampiamente studiato in ambiente soggetto a gravità, con applicazioni in diversi settori, tra cui l’automobilistico e il navale. Tuttavia, con l’aumento delle quantità di carburante trasportate dai satelliti e il progressivo inasprimento dei requisiti di missione, la descrizione di questo fenomeno in condizioni di microgravità diventa un elemento di studio fondamentale per sviluppare sistemi di controllo in grado di soddisfare tali requisiti e ridurre gli effetti di disturbo sui sistemi di guida e navigazione. L’obiettivo di questa tesi è sviluppare e testare una nuova metodologia, implementando simulazioni ad alta precisione per creare un ambiente di simulazione solido e affidabile. Questo permetterà di testare e ottimizzare missioni satellitari con grandi serbatoi di carburante, garantendo le prestazioni richieste. A tal fine, è necessaria un’analisi approfondita delle metodologie di simulazione della dinamica del liquido, partendo da modelli meccanici equivalenti per validare l’accuratezza di tecnologie di simulazione avanzate, come la fluidodinamica computazionale (CFD) e la smoothed-particle hydrodynamics (SPH). Una volta validato l’ambiente di simulazione, lo scopo della tesi è chiudere la simulazione integrando controllori innovativi per garantire il rispetto dei requisiti stabiliti. A partire dai controlli proposti in letteratura, i risultati ottenuti sono in linea con le aspettative. L’integrazione di simulazioni fluide dettagliate con tecniche di controllo avanzate rappresenta la conclusione del lavoro svolto sul controllo d’assetto in questa tesi. L’uso del Model Predictive Control (MPC) deve essere considerato il nuovo standard per ambienti ad alte prestazioni e complessi. Il suo utilizzo è stato combinato con l’integrazione di una rete neurale per migliorare le capacità di previsione. L’implementazione riassume tutto lo sviluppo svolto, utilizzando i dati generati dalla simulazione in closed loop, creando una soluzione innovativa per l’impostazione descritta e utilizzando lo strumento di simulazione sviluppato per la fase di messa a punto e test.