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Engineering and scientific aspects of LARES satellite
No full textLAser RElativity Satellite (LARES) is an Italian passive satellite designed for the accurate test of a phenomenon predicted by Einstein General Relativity called frame-dragging, or gravitomagnetism, i.e., the Earth angular momentum generates spacetime curvature that causes an additional perturbation of the satellite orbit, called the Lense-Thirring effect. LARES is a laser-ranged satellite of the type of the two LAGEOS satellites already orbiting the Earth. Data from these three satellites will also be used to improve the accuracy in the measurement of the Lense-Thirring effect. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved
Material and surface properties of lares satellite
No full textLARES (LAser RElativity Satellite) is a passive satellite put in orbit by the VEGA launcher the past 13th of February 2012. It is designed for the accurate test of the Lense-Thirring effect. This phenomenon is induced by the Earth rotation that according to Einstein General Relativity drags space-time and consequently the trajectory of orbiting objects. In order to reach the expected results of few percent accuracy in the measurement of that effect, some restrictive scientfic requirements have been imposed with regard to the material to be used for the satellite body (SB) and to the surface properties of the SB itself, giving special attention to the density of the SB (higher than 17900 kg/m3). Furthermore to reduce interaction with the magnetic field of Earth some upper limit to, the electrical conductivity of the alloy was specified. All those aspects along with some considerations on the manufacturing challenges of LARES will be reported. Finally the different methods evaluated for the finishing of the SB, so as to satisfy the scientific requirements such as the infrared emissivity (e) and the solar absorptivity (a) of the surface will be analysed. Copyright © (2012) by the International Astronautical Federation
COST EFFECTIVE CENTER OF MASS DETERMINATION OF LARES SATELLITE
No full textLAser RElativity Satellite (LARES) is a satellite designed for measuring gravitomagnetism
predicted by Einstein general relativity. One of the requirements imposed
on LARES satellite is to have the distance between the center of mass and the
geometric center of the satellite lower than 0.2 mm. The material used for LARES satellite
is a tungsten alloy. The producer provided two spheres manufactured with liquid
sintering, a process that bring the Cu and Ni present in the alloy in liquid phase. The
two spheres are among the biggest tungsten alloy items ever manufactured and the
producer could not guarantee the uniformity of the alloy. Also the center of mass could
not be predicted with a sub-millimeter level of accuracy. Balancing of satellites is
usually made by adding masses at pre-configured positions. In case the distance between
the center of mass and the geometric center is bigger than 1 mm, adding masses
on the LARES satellite would be very difficult and will increase the surface-to-mass ratio,
a very important parameter connected to the scientific objective of the mission. For
this reason a procedure for a rough measurement of the satellite center of mass has
been devised. Purpose of the paper is to show how to use a lathe machine and a homemade
system with load cells, to measure the position of the center of mass with an accuracy
of about 0.5 mm
Material and manufacturing issues of a laser ranged satellite
No full textThe LARES satellite is an Italian space mission funded by ASI, with CGS as prime contractor
and Salento and Sapienza Universities as subcontractors. The LARES will be put into orbit by the European
launcher VEGA during its maiden flight, foreseen in year 2011. The paper describes the general features of the
material chosen for the manufacturing of the satellite and its components. Particular interest will be devoted to
the manufacturing process and analysis of the screws
CubeSat constellations for disaster management in remote areas
No full textIn recent years, CubeSats have considerably extended their range of possible applications, from a low cost means to train students and young researchers in space related activities up to possible complementary solutions to larger missions. Increasingly popular, whereas CubeSats are still not a solution for all types of missions, they offer the possibility of performing ambitious scientific experiments. Especially worth considering is the possibility of performing Distributed Space Missions, in which CubeSat systems can be used to increase observation sampling rates and resolutions, as well as to perform tasks that a single satellite is unable to handle. The cost of access to space for traditional Earth Observation CEO) missions is still quite high. Efficient architecture design would allow reducing mission costs by employing CubeSat systems, while maintaining a level of performance that, for some applications, could be close to that provided by larger platforms, and decreasing the time needed to design and deploy a fully functional constellation. For these reasons many countries, including developing nations, agencies and organizations are looking to CubeSat platforms to access space cheaply with, potentially, tens of remote sensing satellites. During disaster management, real-time, fast and continuous information broadcast is a fundamental requirement. In this sense, a constellation of small satellites can considerably decrease the revisit time (defined as the time elapsed between two consecutive observations of the same point on Earth by a satellite) over remote areas, by increasing the number of spacecraft properly distributed in orbit. This allows collecting as much data as possible for the use by Disaster Management Centers. This paper describes the characteristics of a constellation of CubeSats built to enable access over the most remote regions of Brazil, supporting an integrated system for mitigating environmental disasters in an attempt to prevent the catastrophic effects of natural events such as heavy rains that cause flooding. In particular, the paper defines the number of CubeSats and the orbital planes required to minimize the revisit time, depending on the application that is the mission objective. Each CubeSat is equipped with the suitable payloads and possesses the autonomy and pointing capabilities needed to meet the mission requirements. Thanks to the orbital features of the constellation, this service could be exploited by other tropical countries. Coverage of other areas of the Earth might be provided by adjusting the number and in-orbit distribution of the spacecraft
Disaster management of remote areas by constellation of CubeSats
No full textCubeSats have become very popular in the last decade, mostly as a low cost means to train students and young researchers in the space engineering and science. Since the cost of accessing the space is still quite relevant for planning and execute traditional Earth Observation (EO) missions, the CubeSat could be an interesting solution to reduce mission costs maintaining the performances and reducing the time of the design phase to have a full functional constellation. For these reasons several countries, agencies and organizations are looking to CubeSat platforms to access space taking advantage of the potential availability of tens of remote sensing satellites. During disaster management, real-time, fast and continuous information broadcast is a fundamental requirement. In this sense, a constellation of small satellites can considerably increase the revisit time (defined as the time elapsed between two consecutive observations of the same point on earth by a satellite) over remote areas, by increasing the number of spacecrafts properly distributed in orbit. This allows to collect and send as much data as possible to Disasters Management Centers. This paper describes the characteristics of a constellation of CubeSats built to enable access over the most remote regions of Brazil. In particular, the paper defines the number of cubesat and the orbital planes required to minimize the revisit time, depending on the application that is the mission objective. Each CubeSat is equipped with the suitable optical payloads and possesses the autonomy and pointing capabilities in order to meet the requirements of the mission. Thanks to the orbital features of the constellation, this service could be exploited by the other countries in the tropical region of the Earth. Coverage of other areas of the Earth might be provided adjusting the number and in orbit distribution of the spacecrafts
STUDIO E SPERIMENTAZIONE DI MATERIALI E SENSORI INTELLIGENTI BASATI SU TECNOLOGIA FBG
No full textI sensori FBG vengono utilizzati per il monitoraggio dello stato dell’integrità
strutturale dei componenti industriali. Essi mostrano diversi vantaggi rispetto ai
sensori tradizionali. Il più immediato è la loro possibilità di lavorare in presenza di
interferenze elettromagnetiche (per quanto elevate possano essere) ed in altre
condizioni avverse, in ambienti particolarmente aggressivi (harsh) in cui si trovino in
presenza di temperature elevate (o ancora peggio forti escursioni termiche) pressioni
elevate ed elevati valori di umidità relativa (RH%); non mostrano problemi a
lavorare in ambienti sporchi, presenza di solventi, grasso o polvere e concentrazioni
di specie inquinanti. Sono caratterizzati da una elevata sensibilità nella misura, in
particolare di grandezze quali deformazioni e temperatura e l’evoluzione degli
strumenti di elaborazione del segnale ottico consentono oggi una straordinaria
risoluzione di tali misure. Grazie alle loro dimensioni contenute e al peso ridotto
hanno mostrato una ottima affinità all’inglobamento all’interno dei materiali oltre al
mero incollaggio superficiale. La possibilità consentita dalla multiplexabilità dei
sensori, in serie su una stessa dorsale, permette di realizzare un sistema nervoso
dell’oggetto da monitorare. La fibra ottica rappresenta un sistema passivo (non
alimentato) di trasporto del segnale, questo le consente l’utilizzo in ambienti
infiammabili o a rischio esplosioni. L’ambito dei controlli non distruttivi si arricchisce giorno dopo giorno di nuovi
strumenti che migliorano la risoluzione delle verifiche dell’integrità strutturale di un
componente operativo. La difficoltà rimane ancora quella di riuscire ad intervenire
per tempo in caso di manifestazione di un danno, prima di arrivare alla failure del
sistema che potrebbe avere conseguenze catastrofiche. Nasce così l’esigenza di un
monitoraggio in tempo reale della salute di una struttura (SHM, Structural health
monitoring), uno strumento che consenta:
- una sensibilità distribuita (punti sensibili discreti, distribuiti su un array
strutturato);
- costi ragionevoli;
- durata del sistema di monitoraggio pari al tempo di vita operativo della
struttura in esame;
- deve essere perfettamente integrabile nel componente strutturale.
Tale strumento potrebbe diventare, grazie all’impiego di questi sensori, la
struttura stessa, in altre parole, potrebbe essere la struttura che monitora
autonomamente la propria integrità, lo stato delle proprie caratteristiche meccaniche
e che è in grado di comunicarle ad un sistema di gestione centrale dei dati che si
attiva per intervenire in caso di necessità. Prendiamo ad esempio un ponte che ha
subito gli effetti di un terremoto ed in apparenza è rimasto intato, un sistema
integrato sarebbe in grado di verificare lo stato della struttura e comunicarlo alla
manutenzione. È straordinario ma è solo il punto di partenza di quelle che oggi
vengono definite strutture intelligenti (smart structures), strutture in grado di
monitorarsi, raccogliere i dati, analizzarli e quindi intervenire, reagendo a quelle che
possono essere variazioni dei parametri ambientali con cui interagisce nella sua vita
operativa. Strutture, il discorso è valido in qualsiasi ambito dell’Ingegneria, che
devono essere progettate per assumere un comportamento quasi biologico (bio-
behavior). Punto di partenza delle strutture intelligenti sono, con ovvia ripetizione
dei termini, i materiali intelligenti. La mia ricerca si è rivolta proprio allo studio di materiali intelligenti per quello
che rappresenta un primo passo di un sistema che possa portare, in seguito, a
strutture reattive, ovvero lo sviluppo di materiali sensibili. Studiando le
problematiche relative all’inglobamento dei sensori all’interno dei materiali (in
particolare i laminati in composito da impiego strutturale) si è in grado di progettare
una rete neurale che, in maniera quasi-distribuita, percorra l’intera struttura,
permettendo un controllo in continuo ed in tempo reale, e per tutta la durata della vita
operativa del componente in oggetto.
Il riferimento ai sensori intelligenti, nel titolo, è legata alla capacità dei sensori
FBG di adattarsi a condizioni avverse, impossibili per altre tecnologie, mostrandosi
in grado di misurare, simultaneamente ed in tempo reale, grandezze diverse,
permettendone, con i dovuti accorgimenti, la perfetta distinzione delle rispettive
variazioni. E questo in quanto i sensori FBG sono caratterizzati da un’incredibile
versatilità, sono sensibili a qualsiasi cosa sia in grado di variare quella che è la loro
grandezza caratteristica, ovvero l’indice di rifrazione che ne permette la trasmissione
del segnale e che ne caratterizza il passo delle frange del reticolo
La questione principale è l’inglobamento delle fibre ottiche nella struttura in
modo che l’integrità della stessa non venga compromessa e assicurando che
l’interfaccia tra la fibra ottica e il materiale circostante permetta un’accurata misura
degli effetti ambientali di interesse. Il campo dei materiali di interesse comprende il
fibre di carbonio in matrice epossidica, i termoplastici, il cemento per quanto
riguarda le basse temperature; mentre per temperature molto elevate di usa il titanio e
l’acciaio. Il limite pratico per la temperatura di poco inferiore ai 1000°C, oltre la
quale la migrazione degli agenti droganti dal core della fibra diventa un problema
rilevante. Per inglobare le fibre ottiche efficacemente nei vari materiali, l’importanza
del rivestimento è fondamentale. Il primo ruolo del rivestimento è proteggere la fibra
dal vapore condensato che, penetrando in una struttura che presenta delle micro
cricche sulla superficie della fibra, contribuisce alla loro propagazione. Il secondo
ruolo è costituire l’interfaccia appropriata tra la fibra ottica e il materiale ospitante, permettendo una misura adeguata dei parametri ambientali monitorati. Per i materiali
non omogenei come i compositi è importante che il coating sia chimicamente
compatibile con la resina del materiale ospitante, oltre a tener conto dell’orientazione
della fibra di vetro rispetto a quelle di rinforzo e delle sue dimensioni rispetto allo
spessore del coating: i risultati migliori generalmente si ottengono al diminuire della
dimensione della fibra e facendo correre la fibra parallela alla componente della
forza agente sulle fibre del materiale composito.
Dopo aver posizionato le fibre ottiche sorge la questione dell’ingresso e
dell’uscita della fibra dalla struttura mediante i connettori. Per inglobare i connettori
con successo bisogna provvedere ad un alleviamento delle deformazioni e proteggere
le fibre nei punti di ingresso e uscita, dove sono più vulnerabili.
Bisogna poi scegliere la tecnica di multiplexing adatta a supportare il numero
richiesto di sensori lungo una singola linea. Le più utilizzate sono il multiplexing per
suddivisione della lunghezza d’onda, dove ogni sensore è individuato da una
lunghezza d’onda, e il multiplexing per suddivisione del tempo, che individua i
sensori per la posizione occupata al momento del passaggio dell’impulso.
Successivamente l’informazione è inviata dai molteplici sensori
all’elaborazione, completando la trasformazione da segnali a dati in forma tale da
essere poi manipolata da un sistema di controllo centrale.
La sfida di trovare vie più convenienti (cost-effective) per ridurre i costi di
manutenzione e migliorare la sicurezza strutturale, il bisogno di sistemi di ispezione
migliori. La spinta a realizzare sistemi di sensori integrati (built-in sensors system) è
quella di migliorare i sistemi per monitorare i carichi operativi. senza necessità di
fermare l’azione del sistema monitorato.
In molte applicazioni la conoscenza dei carichi operativi è generalmente molto
bassa, molti miglioramenti possono essere ottenuti incorporando (inglobando) i
sensori nelle strutture.
Nel primo capitolo del presente lavoro di tesi, vengono presentati gli argomenti
che sono stati trattati nel corso del Dottorato, a cominciare con un’introduzione alle smart structures, partendo da quelle autodiagnosticanti (che necessitano di un
sistema di monitoraggio come quello a cui si è accennato) fino ad arrivare alle
intelligent structures, le strutture a bio-behavior, che potrebbero essere meglio
definite come strutture reattive. Nel secondo capitolo viene introdotta la tecnologia
dei sensori a reticolo di Bragg, ovvero lo strumento utilizzato per tutta l’attività di
ricerca. Il terzo capitolo affronta l’argomento della compensazione termica, ovvero,
dei metodi e tecniche da adottare per disaccoppiare le misure effettuate con i sensori
FBG dalle variazioni di temperatura. Nel quarto capitolo viene proposta una piccola
introduzione ai materiali compositi, che già intrinsecamente rappresentano il
concetto di materiale intelligente in quanto ingegnerizzato (progettato su misura a
seconda delle condizioni operative, taylored, abusando di un termine inglese che
rende perfettamente l’idea). Nel quinto capitolo si prova a risolvere alcuni dei
problemi relativi all’inglobamento dei sensori nei laminati in composito
A key role for Brazil in international Orbital Debris detection and tracking Estrategies
No full textThe threats posed by Space Debris have led Space Agencies around the world to work on innovative detection and cleanup solutions, as is the case with the European Space Agency (ESA). Brazil, an emerging country in the space sector, is also participating in these initiatives and, for example, the Pico dos Dias Observatory in Minas Gerais has built, in collaboration with the Russian Space Agency (ROSCOSMOS), the Pan-Eos Telescope, consisting of a main instrument with a 75-cm aperture and four auxiliary instruments with a 25-cm aperture, capable of detecting debris larger than 12 cm, providing a growing database. This study aims to show how Brazil, through the present technology of detection, collection, and analysis of data and through the Brazilian Space Agency (AEB), can collaborate with the scientific development of innovative solutions, aiming to increasingly reduce the risk of collisions in space
FBG Spectrum Regeneration by Ni-Coating and High-Temperature Treatment
No full textFBG sensors are used in many scientific and industrial fields for assessing the structural integrity of mechanical components and in very high (above 600 °C) or very low (cryogenic) temperature applications. The main concerns with the use of such sensors in applications involving extreme temperatures are related partly to the instability of the reflected spectrum, which tends to dissolve into the noise floor, and partly to the degradation of the mechanical properties of the optical fiber, which tends to worsen the inherent brittleness. All of this raises the need for a robust nickel protective coating to ensure the grating’s integrity in high-temperature environments. In addition, the inherent brittleness of fiber-optic gratings leaves one to wonder whether it is possible to recover a broken, seemingly unusable sensor. In this way, a single-peak commercial FBG was intentionally broken in the middle of the grating length and re-spliced, inducing a strongly asymmetric chirped-like spectrum; then, a nickel coating was electrodeposited on its surface. The most important outcome achieved by this work is the regeneration of a highly distorted reflected spectrum through three thermal cycles performed from room temperature up to 500, 750, and 800 °C, respectively. After reaching a temperature of at least 700 °C, the spectrum, which has been drastically altered by splicing, becomes stable and restores its single peak shape. A further stabilization cycle carried out at 800 °C for 80 min led to an estimation of the stabilizing time of the new single-peak reflected spectrum
