Spacecraft Rendezvous and Docking Using Electromagnetic Interactions

On-orbit operations such as refuelling, payload updating, inspection, maintenance, material and crew transfer, modular structures assemblies and in general all those processes requiring the participation of two or more collaborative vehicles are acquiring growing importance in the space-related field, since they allow the development of longer-lifetime missions. To successfully accomplish all these on-orbit servicing operations, the ability to approach and mate with another vehicle is fundamental. Rendezvous strategies, proximity procedures and docking manoeuvres between spacecraft are of utmost importance and new, effective, standard and reliable solutions are needed to ensure further technological developments. Presently, the possibility to create low-cost clusters of vehicles able to share their resources may be exploited thanks to the broadening advent of CubeSat-sized spacecraft, which are conditioning the space market nowadays. In this context, this thesis aims at presenting viable strategies for spacecraft RendezVous and Docking (RVD) manoeuvres exploiting electro-magnetic interactions. Two perspective concepts have been investigated and developed, linked together by the use of CubeSat-size testing platforms. The idea behind the first one, PACMAN (Position and Attitude Control with MAgnetic Navigation) experiment, is to actively exploit magnetic interactions for relative position and attitude control during rendezvous and proximity operations between small-scale spacecraft. PACMAN experiment has been developed within ESA Education Fly Your Thesis! 2017 programme and has been tested in low-gravity conditions during the 68th ESA Parabolic Flight Campaign (PFC) in December 2017. The experiment validation has been accomplished by launching a miniature spacecraft mock-up (1 U CubeSat, the CUBE) and a Free-Floating Target (1 U CubeSat, the FFT) that generates a static magnetic fields towards each other; a set of actively-controlled magnetic coils on board the CUBE, assisted by dedicated localization sensors, are used to control the CUBE attitude and relative position, assuring in this way the accomplishment of the soft-docking manoeuvre. The second one, TED (Tethered Electromagnetic Docking), concerns a novel docking strategy in which a tethered electromagnetic probe is expected to be ejected by a chaser toward a receiving electromagnetic interface mounted on a target spacecraft. The generated magnetic field drives the probe to the target and realizes an automatic alignment between the two interfaces, thus reducing control requirements for close approach manoeuvres as well as the fuel consumption necessary for them. After that, hard-docking can be accomplished by retracting the tether and bringing the two spacecraft in contact.

La capacità di eseguire operazioni di servizio su veicoli in orbita ha riscontrato, negli ultimi anni, un’enorme interesse da parte delle maggiori compagnie e agenzie spaziali internazionali. La necessità di ridurre i costi di produzione, assieme alla possibilità di ottenere sistemi complessi più affidabili e duraturi, ha indirizzato marcatamente il mercato dell’ingegneria aerospaziale verso lo studio di soluzioni innovative per eseguire in orbita operazioni quali rifornimento, aggiornamento e manutenzione di sottositemi, riparazioni di componenti non funzionanti e ispezioni. Le nuove idee e tecnologie in via di sviluppo per eseguire queste operazioni sono percepite come estremamente funzionali e efficienti in termini di costo, in grado di estendere la vita operativa di un satellite e diminuire i costi connessi alla sua completa sostituzione. Attualmente, il tassello mancante per poter procedere efficacemente con questo tipo di procedure, è un sistema automatico di docking che possa costituire un nuovo standard semplice ed affidabile. Gli odierni sistemi di docking, infatti, sono caratterizzati da elevati requisiti di puntamento e necessitano dell’attuazione di precise azioni sul controllo d’assetto in modo da garantire un aggancio sicuro tra i due veicoli coinvolti nella manovra. Questo è dovuto al fatto che tali sistemi di aggancio sono stati progettati quasi unicamente per il trasferimento di equipaggio o di materiali mentre nessuna progettazione, finora, è mai stata prevista per i satelliti commerciali e scientifici. Recentemente, l’avvento dei CubeSat ha fortemente incoraggiato aziende e agenzie del settore aerospaziale ad investire nello sviluppo di dimostratori tecnologici e payload scientifici, grazie alla notevole riduzione nel costo necessario per lanciare in orbita tali veicoli. Lo svantaggio nell’utilizzare questo tipo di piattaforme è principalmente legato ai limiti tecnici intrinseci degli stessi, rappresentati dalle ridotte risorse a disposizione. Ciononostante, gran parte di queste limitazioni sono state superate grazie alla possibilità di scalare i risultati ottenuti ed applicarli a sistemi più grandi. Numerose tecnologie sono già state testate e caratterizzate nello spazio usando moduli CubeSat, ma solo esperimenti marginali sono stati condotti sino ad oggi su sistemi di docking, anche se si sta percependo un cambio di tendenza. Tali sistemi, infatti, permetterebbero l’esecuzione di operazioni di aggancio e sgancio, ampliando enormemente i possibili scenari di missione: sistemi modulari formati da molteplici unità CubeSat potrebbero interagire tra loro creando agglomerati più grandi in grado di condividere le risorse più efficacemente, riorganizzarsi e aggiornarsi autonomamente. Lo scopo di questa ricerca è quello di proporre un nuovo sistema di soft-docking caratterizzato da requisiti meno stringenti per quanto concerne l’accuratezza nel puntamento e nel controllo d’assetto rispetto ai sistemi esistenti. L’idea innovativa alla base dello studio è quella di sfruttare la capacità di auto-allineamento e reciproca attrazione garantita dall’interazione magnetica che si instaura tra due interfacce elettromagnetiche, in modo da facilitare le manovre di prossimità ed aggancio. La trattazione è suddivisa in due parti principali. Nella prima parte viene presentato l’esperimento PACMAN (Position and Attitude Control with MAgnetic Navigation) il quale rappresenta un dimostratore tecnologico di un sistema di docking per piccoli satelliti basato su attuatori magnetici. Tale sistema, sviluppato all'interno del programma ESA Education Fly Your Thesis! 2017, è stato testato in gravità ridotta durante la 68th campagna di voli parabolici ESA a dicembre. La seconda parte si focalizza invece su un nuovo concept, TED (Tethered Electromagnetic Docking), secondo il quale le manovre di close-range rendezvous e docking possono essere realizzate lanciando una sonda elettromagnetica collegata ad un filo da un satellite chaser verso un’interfaccia elettromagnetica montata su di un satellite target. Stabilito il collegamento, tramite il recupero del filo, i due veicoli sono connessi rigidamente concludendo la manovra.