Modeling structural flexibility and internal disturbances for LUMIO attitude determination and control system performances

LUMIO is a 12U XL CubeSat designed to observe meteoroid impacts on the Moon surface from a quasi-halo orbit around the Earth–Moon L2 Lagrangian point. After successfully completing Phase 0 and an independent feasibility study, LUMIO advanced through Phase A and B studies with funding from the European Space Agency (ESA). This thesis refines the spacecraft dynamic model to improve the analysis of the Attitude Determination and Control System (ADCS). The focus is on incorporating structural flexibility and internal disturbances, such as reaction wheel imbalances and propellant sloshing, which, along with flexible solar panels, may degrade ADCS performance. Propellant sloshing is modeled using a mass-spring mechanical analogy to capture lateral sloshing effects and validated against SLOSH-ML, an open-source software for slosh dynamics. Reaction wheel disturbances are introduced as external forces and torques acting on a refined reaction wheel model that accounts for momentum components beyond the spin axis, validated against the previously adopted model for LUMIO. Solar panel flexibility is represented using the cantilever hybrid model, widely employed in the TITOP framework, allowing a linear fractional representation of spacecraft dynamics. After model development and validation, Monte Carlo simulations are performed to compare the flexible and rigid spacecraft models used in Phase B. The analyses cover detumbling, slew maneuvers, momentum budget assessment during science and engineering cycles and reaction wheels desaturation. Results indicate that reaction wheel disturbances have minimal impact on spacecraft performance. However, propellant sloshing and solar panel flexibility could have a significant impact, particularly during RCS firings. Therefore, more accurate modeling of these effects is recommended for future analyses to ensure more realistic predictions.

LUMIO è un CubeSat 12U XL progettato per osservare gli impatti meteoritici sulla superficie lunare da un’orbita quasi-halo attorno al punto lagrangiano L2 del sistema Terra-Luna. Dopo la Fase 0 e uno studio di fattibilità indipendente, ha completato le Fasi A e B con il finanziamento dell’ESA. Questa tesi vuole rendere più complesso il modello dinamico del satellite per un’analisi più accurata del sistema di determinazione e controllo dell' assetto, includendo la flessibilità strutturale e le perturbazioni interne, come gli squilibri delle ruote di reazione ed i movimenti del propellente, che, insieme alla flessibilità dei pannelli solari, possono influenzare le prestazioni del sistema. Lo sciabordare del propellente è modellato con un’analogia a masse e molle per simulare gli effetti laterali di forze e momenti del fluido sul serbatoio e validato con SLOSH-ML, un software open-source per la dinamica dei fluidi. Le perturbazioni delle ruote di reazione sono introdotte come forze e coppie esterne in un modello avanzato che considera componenti di quantità di moto oltre l’asse di rotazione principale, validato rispetto al modello precedente di LUMIO. La flessibilità dei pannelli solari è rappresentata tramite il cantilever hybrid model, ampiamente usato nel TITOP framework per una descrizione lineare frazionaria della dinamica del satellite. Dopo la validazione dei modelli, le simulazioni confrontano il nuovo modello con quello rigido della Fase B. Le analisi includono il detumbling, le manovre di riorientamento, l'accumulo di quantità di moto durante il ciclo operativo e la desaturazione delle ruote di reazione. I risultati indicano che le perturbazioni delle ruote di reazione hanno un impatto minimo sulle prestazioni di LUMIO. Tuttavia, il fenomeno del movimento del propellente e la flessibilità dei pannelli solari potrebbero avere un impatto significativo, soprattutto durante l'accensione dell'RCS. Si raccomanda quindi una modellazione più accurata di questi effetti nelle future analisi per garantire previsioni più realistiche.