Space and astronautical engineering - Ingegneria spaziale e astronautica

1. Dinamica d'assetto euleriana (14 ore). Vettori e diadi. Sistemi di riferimento. Relazioni per le velocità angolari. Corpo rigido. Veicoli spaziali con una ruota. Veicoli spaziali a doppio spin. Veicoli spaziali assialsimmetrici a doppio spin. Anello viscoso per lo smorzamento della nutazione. Veicoli spaziali con smorzatori. Veicoli spaziali con ruota e smorzatore. Veicoli spaziali con molteplici ruote. Forme alternative delle equazioni dinamiche. Veicoli spaziali con giroscopio a singolo giunto cardanico. 2. Dinamica d'assetto per veicoli spaziali multibody (metodo di Kane) (8 ore). Vincoli. Veicoli spaziali multibody con struttura ad albero. Due corpi ed un giunto: velocità e velocità parziali. Forze generalizzate. Equazioni dinamiche di Kane. Due corpi ed un giunto: accelerazioni ed equazioni dinamiche. Equazioni di Kane per veicoli multibody con struttura ad albero. Metodologia per le simulazioni. Applicazione: dinamica di un veicolo spaziale con due appendici. 3. Controllo d'assetto non lineare mediante dispositivi a scambio di momento (8 ore). Introduzione. Panoramica dei dispositivi a scambio di momento. Leggi di controllo per veicoli che impiegano dispositivi giroscopi di controllo a singolo giunto cardanico (SG-CMGs). Legge di controllo per veicoli che impiegano ruote di reazione (RWs). Controllo non lineare per manovre d'assetto. Applicazione: manovra di puntamento mediante controllo non lineare ed array di SG-CMGs. Controllo non lineare per l'inseguimento dell'assetto. Applicazione: inseguimento dell'assetto per un satellite geostazionario. 4. Controllo orbitale non lineare mediante l'impiego di spinta continua (6 ore). Introduzione. Dinamica orbitale. Controllo orbitale non lineare a spinta variabile. Controllo orbitale quasi ottimo secondo Lyapunov. Controllo orbitale non lineare in orbita circolare. Applicazione 1: controllo non lineare in orbita terrestre media. Applicazione 2: controllo non lineare in orbita terrestre bassa. 5. Trasferimenti orbitali a bassa spinta (10 ore). Tipologie di motori a bassa spinta. Equazioni del moto. Trasferimenti a tempo minimo con l'impiego di propulsione a bassa spinta ed impulso specifico costante. Trasferimenti a consumo minimo con l'impiego di propulsione a bassa spinta ed impulso specifico costante. Trasferimenti a consumo minimo con l'impiego di propulsione a bassa spinta ed impulso specifico variabile. Assetto del veicolo spaziale nei trasferimenti orbitali. Note conclusive. 6. Rientro planetario (10 ore). Introduzione. Sistemi di riferimento per traiettoria ed assetto. Equazioni generali del volo. Effetti di riscaldamento nel rientro. Rientro balistico. Rientro con portanza. Traiettoria di rientro dello Space Shuttle. Fase terminale di discesa ed atterraggio dei veicoli di rientro con portanza: un esempio. Note conclusive. 7. Costellazioni di satelliti (4 ore). Orbite con traccia a terra ripetitiva. Costellazioni multisincrone.

- Geometria - Algebra lineare - Calcolo vettoriale elementare - Analisi matematica - Meccanica orbitale - Fondamenti di dinamica d'assetto

M. Pontani, Advanced Spacecraft Dynamics, Efesto, Rome, Italy, 2023

La frequenza delle lezioni non è obbligatoria, ma consigliata.

RISULTATI DI APPRENDIMENTO PREVISTI Conoscenza e capacità di applicare i metodi generali della meccanica classica alla soluzione di problemi di dinamica d'assetto e meccanica orbitale (formulazioni di Newton/Eulero e Kane), capacità di descrivere la dinamica d'assetto di sistemi multibody, dual spin, con sottosistemi rotanti, conoscenza degli elementi fondamentali della teoria della stabilità e del controllo non lineare, capacità di applicare le tecniche di controllo non lineare alle manovre di riorientamento d'assetto e alle manovre di mantenimento e correzione orbitale, conoscenza delle equazioni generali del volo, capacità di modellizzare e simulare numericamente il rientro planetario, conoscenza di alcune tecniche semianalitiche approssimate per il rientro, conoscenza di alcuni trasferimenti orbitali con l'impiego di bassa spinta, conoscenza dei trasferimenti orbitali a tempo e consumo minimo, conoscenza degli elementi fondamentali per il progetto delle costellazioni satellitari. STRUMENTI DI ACCERTAMENTO Lo studente deve dimostrare (a) di aver compreso le tematiche fondamentali del corso e (b) la capacità di applicare le conoscenze acquisite in riferimento ad alcuni problemi applicativi complessi della meccanica del volo spaziale. La valutazione si basa su una prova orale (al termine del corso). Durante il corso verranno assegnate prove di verifica e/o approfondimento (non obbligatorie); queste potranno pesare sulla valutazione finale fino al 30%. La valutazione (in trentesimi) segue il seguente criterio: conoscenza e capacità di applicazione sufficienti (valutazione 18-20); conoscenza e capacità di applicazione medie (valutazione 21-24); conoscenza e capacità di applicazione buone (valutazione tra 25-28); conoscenza e capacità di applicazione ottime o eccellenti (valutazione da 29 a 30 e Lode). METODI DI ACCERTAMENTO - verifica della conoscenza e capacità di applicare i metodi generali della meccanica classica alla soluzione di problemi di dinamica d'assetto e meccanica orbitale - verifica della capacità di descrivere la dinamica d'assetto di sistemi multibody, dual spin, con sottosistemi rotanti - verifica della conoscenza degli elementi fondamentali della teoria della stabilità e del controllo non lineare - verifica della capacità di applicare le tecniche di controllo non lineare alle manovre di riorientamento d'assetto e alle manovre di mantenimento e correzione orbitale - verifica della conoscenza delle equazioni generali del volo - verifica della capacità di modellizzare e simulare numericamente il rientro planetario - verifica della conoscenza di alcune tecniche semianalitiche approssimate per il rientro - verifica della conoscenza di alcuni trasferimenti orbitali con l'impiego di bassa spinta - verifica della conoscenza dei trasferimenti orbitali a tempo e consumo minimo - verifica della conoscenza degli elementi fondamentali per il progetto delle costellazioni satellitari

1. Hughes P., Spacecraft Attitude Dynamics, Dover, 2004 2. Schaub H., Junkins J.L., Analytical Mechanics of Space Systems, AIAA Education Series, 2003 3. de Ruiter A.H., Damaren C., Forbes J.R., Spacecraft Dynamics and Control: an Introduction, Wiley, 2013 4. Roithmayr C. M., Hodges D. H., Dynamics - Theory and Application of Kane's Method, Cambridge University Press, 2016 5. Kane T. R., Likins P. W., Levinson D. A., Spacecraft Dynamics, Mc-Graw-Hill, 1983 6. Wie B., Space Vehicle Dynamics and Control, Aiaa Education Series, 2008 7. Gurfil P., Seidelmann P. K., Celestial Mechanics and Astrodynamics: Theory and Practice, Springer, 2016 8. Prussing J. E., Conway B. A., Orbital Mechanics, Oxford University Press, 2013 9. Longuski J. M., Guzman J. J., Prussing J. E., Optimal Control with Aerospace Applications, Springer, 2014 10. Kluever C. A., Space Flight Dynamics, Wiley, 2018

Didattica frontale, focalizzata sulle tematiche centrali del corso, con l'inclusione di esempi numerici ed applicazioni di interesse pratico.

1. Dinamica d'assetto euleriana (14 ore). Vettori e diadi. Sistemi di riferimento. Relazioni per le velocità angolari. Corpo rigido. Veicoli spaziali con una ruota. Veicoli spaziali a doppio spin. Veicoli spaziali assialsimmetrici a doppio spin. Anello viscoso per lo smorzamento della nutazione. Veicoli spaziali con smorzatori. Veicoli spaziali con ruota e smorzatore. Veicoli spaziali con molteplici ruote. Forme alternative delle equazioni dinamiche. Veicoli spaziali con giroscopio a singolo giunto cardanico. 2. Dinamica d'assetto per veicoli spaziali multibody (metodo di Kane) (8 ore). Vincoli. Veicoli spaziali multibody con struttura ad albero. Due corpi ed un giunto: velocità e velocità parziali. Forze generalizzate. Equazioni dinamiche di Kane. Due corpi ed un giunto: accelerazioni ed equazioni dinamiche. Equazioni di Kane per veicoli multibody con struttura ad albero. Metodologia per le simulazioni. Applicazione: dinamica di un veicolo spaziale con due appendici. 3. Controllo d'assetto non lineare mediante dispositivi a scambio di momento (8 ore). Introduzione. Panoramica dei dispositivi a scambio di momento. Leggi di controllo per veicoli che impiegano dispositivi giroscopi di controllo a singolo giunto cardanico (SG-CMGs). Legge di controllo per veicoli che impiegano ruote di reazione (RWs). Controllo non lineare per manovre d'assetto. Applicazione: manovra di puntamento mediante controllo non lineare ed array di SG-CMGs. Controllo non lineare per l'inseguimento dell'assetto. Applicazione: inseguimento dell'assetto per un satellite geostazionario. 4. Controllo orbitale non lineare mediante l'impiego di spinta continua (6 ore). Introduzione. Dinamica orbitale. Controllo orbitale non lineare a spinta variabile. Controllo orbitale quasi ottimo secondo Lyapunov. Controllo orbitale non lineare in orbita circolare. Applicazione 1: controllo non lineare in orbita terrestre media. Applicazione 2: controllo non lineare in orbita terrestre bassa. 5. Trasferimenti orbitali a bassa spinta (10 ore). Tipologie di motori a bassa spinta. Equazioni del moto. Trasferimenti a tempo minimo con l'impiego di propulsione a bassa spinta ed impulso specifico costante. Trasferimenti a consumo minimo con l'impiego di propulsione a bassa spinta ed impulso specifico costante. Trasferimenti a consumo minimo con l'impiego di propulsione a bassa spinta ed impulso specifico variabile. Assetto del veicolo spaziale nei trasferimenti orbitali. Note conclusive. 6. Rientro planetario (10 ore). Introduzione. Sistemi di riferimento per traiettoria ed assetto. Equazioni generali del volo. Effetti di riscaldamento nel rientro. Rientro balistico. Rientro con portanza. Traiettoria di rientro dello Space Shuttle. Fase terminale di discesa ed atterraggio dei veicoli di rientro con portanza: un esempio. Note conclusive. 7. Costellazioni di satelliti (4 ore). Orbite con traccia a terra ripetitiva. Costellazioni multisincrone.

- Geometria - Algebra lineare - Calcolo vettoriale elementare - Analisi matematica - Meccanica orbitale - Fondamenti di dinamica d'assetto

M. Pontani, Advanced Spacecraft Dynamics, Efesto, Rome, Italy, 2023

La frequenza delle lezioni non è obbligatoria, ma consigliata.

RISULTATI DI APPRENDIMENTO PREVISTI Conoscenza e capacità di applicare i metodi generali della meccanica classica alla soluzione di problemi di dinamica d'assetto e meccanica orbitale (formulazioni di Newton/Eulero e Kane), capacità di descrivere la dinamica d'assetto di sistemi multibody, dual spin, con sottosistemi rotanti, conoscenza degli elementi fondamentali della teoria della stabilità e del controllo non lineare, capacità di applicare le tecniche di controllo non lineare alle manovre di riorientamento d'assetto e alle manovre di mantenimento e correzione orbitale, conoscenza delle equazioni generali del volo, capacità di modellizzare e simulare numericamente il rientro planetario, conoscenza di alcune tecniche semianalitiche approssimate per il rientro, conoscenza di alcuni trasferimenti orbitali con l'impiego di bassa spinta, conoscenza dei trasferimenti orbitali a tempo e consumo minimo, conoscenza degli elementi fondamentali per il progetto delle costellazioni satellitari. STRUMENTI DI ACCERTAMENTO Lo studente deve dimostrare (a) di aver compreso le tematiche fondamentali del corso e (b) la capacità di applicare le conoscenze acquisite in riferimento ad alcuni problemi applicativi complessi della meccanica del volo spaziale. La valutazione si basa su una prova orale (al termine del corso). Durante il corso verranno assegnate prove di verifica e/o approfondimento (non obbligatorie); queste potranno pesare sulla valutazione finale fino al 30%. La valutazione (in trentesimi) segue il seguente criterio: conoscenza e capacità di applicazione sufficienti (valutazione 18-20); conoscenza e capacità di applicazione medie (valutazione 21-24); conoscenza e capacità di applicazione buone (valutazione tra 25-28); conoscenza e capacità di applicazione ottime o eccellenti (valutazione da 29 a 30 e Lode). METODI DI ACCERTAMENTO - verifica della conoscenza e capacità di applicare i metodi generali della meccanica classica alla soluzione di problemi di dinamica d'assetto e meccanica orbitale - verifica della capacità di descrivere la dinamica d'assetto di sistemi multibody, dual spin, con sottosistemi rotanti - verifica della conoscenza degli elementi fondamentali della teoria della stabilità e del controllo non lineare - verifica della capacità di applicare le tecniche di controllo non lineare alle manovre di riorientamento d'assetto e alle manovre di mantenimento e correzione orbitale - verifica della conoscenza delle equazioni generali del volo - verifica della capacità di modellizzare e simulare numericamente il rientro planetario - verifica della conoscenza di alcune tecniche semianalitiche approssimate per il rientro - verifica della conoscenza di alcuni trasferimenti orbitali con l'impiego di bassa spinta - verifica della conoscenza dei trasferimenti orbitali a tempo e consumo minimo - verifica della conoscenza degli elementi fondamentali per il progetto delle costellazioni satellitari

1. Hughes P., Spacecraft Attitude Dynamics, Dover, 2004 2. Schaub H., Junkins J.L., Analytical Mechanics of Space Systems, AIAA Education Series, 2003 3. de Ruiter A.H., Damaren C., Forbes J.R., Spacecraft Dynamics and Control: an Introduction, Wiley, 2013 4. Roithmayr C. M., Hodges D. H., Dynamics - Theory and Application of Kane's Method, Cambridge University Press, 2016 5. Kane T. R., Likins P. W., Levinson D. A., Spacecraft Dynamics, Mc-Graw-Hill, 1983 6. Wie B., Space Vehicle Dynamics and Control, Aiaa Education Series, 2008 7. Gurfil P., Seidelmann P. K., Celestial Mechanics and Astrodynamics: Theory and Practice, Springer, 2016 8. Prussing J. E., Conway B. A., Orbital Mechanics, Oxford University Press, 2013 9. Longuski J. M., Guzman J. J., Prussing J. E., Optimal Control with Aerospace Applications, Springer, 2014 10. Kluever C. A., Space Flight Dynamics, Wiley, 2018

Didattica frontale, focalizzata sulle tematiche centrali del corso, con l'inclusione di esempi numerici ed applicazioni di interesse pratico.