Development of an Electrical Power System for a 3U educational CubeSat

Il mondo dei CubeSat è in continua espansione, grazie ai costi ridotti, alla rapidità di sviluppo e alla facilità di implementazione, che li rende accessibili a tutti gli interessati nel campo della ricerca spaziale e delle università. Il Politecnico di Torino ha una grande storia dietro allo sviluppo di CubeSat educativi, che prosegue oggi con lo studio di una missione per l’osservazione terrestre in orbita bassa terrestre. Tale missione prende il nome di SILVA (Satellite-based Innovative Land and Vegetation Analysis) ed è portata avanti da un team studentesco, il CubeSat Team, all’interno del quale trova spazio il lavoro di questa tesi. L’obiettivo principale della tesi è lo sviluppo di un sistema di potenza elettrica (EPS), che ha un ruolo fondamentale per la riuscita di una missione spaziale, in quanto ha il compito di gestire la generazione della potenza, l’accumulo dell’energia e la distribuzione della stessa a tutti i sottosistemi del piccolo satellite. L’EPS sviluppato nella tesi trova applicazione nel CubeSat 3U della missione SILVA. Questa tesi si concentra sullo studio di un design affidabile dell’EPS, iniziando da una panoramica dello stato dell’arte e proseguendo con un’approfondita analisi funzionale del sottosistema, al fine di identificarne i requisiti. Segue lo studio di una configurazione preliminare e l’analisi della potenza richiesta dagli altri sottosistemi del CubeSat. Infine, queste analisi hanno portato al dimensionamento complessivo dell’EPS, che ha richiesto svariate iterazioni a causa della stretta interazione con l’evoluzione del design degli altri sottosistemi. Lo sviluppo dell’EPS prosegue con la produzione dei suoi componenti hardware (pannelli solari, batterie, scheda di gestione della potenza), che comprende una prima fase di individuazione dei componenti in linea con il design proposto e una fase successiva di approviggionamento delle soluzioni hardware individuate. La stesura della tesi continua con l’elaborazione di un piano di Assemblaggio, Integrazione e Verifica (AIV), lo studio delle prestazioni dell’EPS, tramite analisi effettuate con il software MATLAB, e la verifica di parte dei requisiti identificati nella prima fase di design, attraverso l’utilizzo di strumentazioni e banchi di prova disponibili nel laboratorio di Sistemi e Tecnologie per la Ricerca Aerospaziale (STARlab) del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale (DIMEAS) del Politecnico di Torino. Lo sviluppo del sistema di potenza elettrica e i risultati ottenuti nello svolgimento di questa tesi si propongono come un riferimento utile sia per futuri sviluppi dell’EPS del CubeSat SILVA sia per il lavoro di sviluppatori di EPS per differenti missioni CubeSat in giro per il mondo.