ESMO spacecraft attitude dynamics : propellant sloshing and mass expulsion torques model

This dissertation deals with the Newton and Euler dynamics equations of ESMO, where a mathematical formulation has been developed. The purpose is to design the internal (non-environmental) disturbances of the spacecraft, by focusing attention on the mass expulsion disturbance torques and the propellant sloshing effect. Moreover the dynamics of the reaction wheels has been taken into account. A review of the propellant sloshing models has been investigated and has been described in brief throughout the dissertation. Particular attention has been given to the propellant sloshing model that has been embraced and to the sate of the art of the mass expulsion torques. Additionally, the propellant consumption that affects some terms of the equation of motions has been considered. This dissertation intends to be an interface between the orbit dynamics and the attitude dynamics disciplines. The two dynamics equations are uncoupled because the environmental torques, that are the coupling terms, are not considered. The outcome of the thesis is the developing of the software that implements the spacecraft attitude dynamics of ESMO and the internal dynamics of the satellite. Therefore this software is going to be used by the ESMO Mission Analysis (MIAS) Team of the University of Strathclyde, Glasgow to give information on the thrust vector orientation (attitude of ESMO) and for passing the control law for contingency analysis (a.g. delay in the actuation ). Moreover this software can be used by the ESMO Attitude and Orbit Control (AOCS1) System Team of Politecnico di Milano to integrate the internal dynamics of ESMO with the simulator that the AOCS1 Team has developed.

L'oggetto di studio di questa tesi è la formulazione matematica delle equazioni della dinamica diESMO, nella forma di Eulero-Newton. Lo scopo e il motivo di questo lavoro sono di implementare un modello dei disturbi interni al satellite. È stata rivolta particolare attenzione nei confronti dei disturbi associati all'espulsione di massa e alla dinamica di sloshing dei serbatoi. Inoltre per ragioni di completezza, la dinamica delle ruote di reazione è stata inclusa alle equazioni del moto. In questa tesi sarà presentato lo stato dell'arte dei modelli di sloshing e delle coppie di disturbo causate dall'espulsione di massa. Il modello delle equazioni è completato con il modello di consumo del carburante che influenza alcuni termini nell'equazioni del moto. Questa tesi ha l'intento di costituire un'interfaccia fra due importanti discipline: la meccanica orbitale e la dinamica d'assetto. Le equazioni della dinamica d'assetto e della meccanica orbitale rimangono comunque disaccoppiate, poiché le coppie di disturbo esterne o d'ambiente, (che sono quelle che garantiscono l'accoppiamento) non sono state incluse all’equazione del moto. L'intento di questa tesi si configura nello sviluppo di un software che implementi la dinamica d'assetto di ESMO e le dinamiche di disturbo interne al satellite. Tale software attualmente è stato utilizzato, e continuerà ad esserlo, dal team di analisi di missione della University of Strathclyde, Glasgow per ottenere informazioni sull'orientazione del vettore di spinta e per le eventuali analisi di imprevisti malfunzionamenti degli attuatori. Infine questo software potrà essere utilizzato e integrato, dal team di controllo d'assetto del Politecnico di Milano, per inserire all'interno del simulatore già sviluppato dal AOCS1 team, il modello delle dinamiche interne di ESMO.