Preliminary study on a vibration suppression system for a large flexible space structure

The subject of the present thesis is a preliminary analysis of the vibrational issues of a large flexible structure that can represent the skeleton structure of a wide class of Space Solar Power (SSP) satellites. Due to the huge dimensions of such structures, their first natural frequencies turn out to be far lower than those of the common satellites and a significant control-structure interaction issue may arise. Even though the orbital and attitude control systems may be designed to be low bandwidth regulators, particular operative conditions could excite the lowest structural modes. Once excited, providing a mean to extinguish the vibrations appear to be appropriate, in order to guarantee the oscillations to be erased. In this context, the objective of this work is to study the interactions between the orbital/attitude control systems and the flexible structure. Hence, an orbital/attitude control system is designed in order to satisfy prescribed requirements related to station keeping and pointing of such a class of spacecraft. Furthermore, a possible approach in developing a preliminary vibration suppression system is carried out, referring to the class of the direct output feedback controllers, utilizing properly distributed ion thrusters. It is shown that, considering the developed orbital/attitude controllers, there exists considerable interaction problems during the operative life of the spacecraft. Eventually, the proposed vibration suppression system is proved to be able to considerably mitigate the effects of these, potentially dangerous, interactions.

Oggetto del presente lavoro è l’analisi preliminare delle problematiche legate alle vibrazioni di una grande struttura flessibile atta a rappresentare la struttura portante di una vasta classe di Space Solar Power (SSP) satellites. A causa delle enormi dimensioni di tali strutture, le loro prime frequenze naturali risultano essere di gran lunga inferiori a quelle dei satelliti comuni, facendo sì che possa sorgere un significativo problema di interazione tra controllo e struttura. Benché i sistemi di controllo d’orbita e d’assetto possano essere progettati in modo tale da avere una banda passante molto bassa, particolari condizioni operative, potrebbero eccitare i modi di vibrare a più bassa frequenza. Risulta dunque indicato, in questa situazione, fornire uno strumento per smorzare le vibrazioni strutturali. In questo contesto, l’obiettivo della tesi è quello di studiare l’interazione tra i sistemi di controllo orbitale e d’assetto e la struttura flessibile. Pertanto, è stato progettato un sistema di controllo d’orbita e d’assetto in grado di soddisfare i requisiti imposti sulla posizione e sul puntamento del satellite. Inoltre è proposto lo sviluppo preliminare di un sistema di soppressione delle vibrazioni, basandosi sulla classe dei controllori a retroazione diretta dell’uscita e utilizzando propulsori a bassa spinta propriamente distribuiti. Si dimostra che, nell’ipotesi di impiegare i regolatori progettati, possano sorgere significativi problemi di interazione durante la vita operativa del satellite. Infine, si verifica come il sistema di soppressione delle vibrazioni proposto, sia in grado di mitigare gli effetti, potenzialmente pericolosi, di tali interazioni.