Integration and Verification of Space Rider Drop Test avionics through Real-Time simulations with Rapid Prototyping techniques

Il programma ESA Space Rider è stato progettato al fine di fornire all’Europa la sua prima piattaforma di trasporto spaziale riutilizzabile, rappresentando un significativo passo in avanti nel tentativo di rendere l’esplorazione spaziale più sostenibile ed economicamente vantaggiosa. La configurazione dinamica del velivolo consente di ospitare payload per una vasta gamma di applicazioni, inclusi test in orbita, ricerca scientifica e validazione di tecnologie. Sin dalla sua ideazione, questo ambizioso progetto ha sollevato svariate complessità tecniche, coinvolgendo numerose compagnie per la loro risoluzione. In questo contesto, il Centro Italiano di Ricerche Aerospaziali (CIRA) è responsabile della progettazione e dell’implementazione di un test sistemistico per verificare la fase finale della missione Space Rider, che consiste in una discesa controllata con paracadute, seguita da un atterraggio di precisione. Questa fase cruciale della missione richiede un adeguato approccio per la sua validazione; a tal proposito, è stato ideato lo Space Rider Drop Test, il cui scopo è quello di verificare l’integrazione dei sottosistemi più importanti durante le fasi di discesa e di atterraggio, quali il Sistema di Discesa, il Sistema di Atterraggio e il Sistema di Guida, Navigazione e Controllo (GN&C). Per integrare gli algoritmi di GN&C nell’architettura avionica, sviluppata ad-hoc per tale test, sono necessari, inoltre, il sistema per la gestione dei dati di bordo (On-Board Data Handling OBDH) il sistema di gestione della potenza elettrica e il sistema di telecomunicazioni, così come diversi sensori e attuatori. Pertanto, costosi e complessi test di verifica divengono essenziali al fine di ottenere la qualifica del velivolo e le conseguenti prove di volo, costituendo una sfida impegnativa nell’ambito della progettazione e dell’implementazione delle componenti hardware e software. Sotto questo punto di vista, le tecniche di Prototipazione Rapida e simulazioni Real-Time Hardware in the Loop, insieme a strumenti che permettono la compilazione automatica del codice, si rivelano essere la soluzione migliore per ridurre in modo significativo i tempi necessari ai processi di sviluppo, di integrazione e di test, a partire dalla definizione dei requisiti fino all’implementazione del software di bordo finale. Il lavoro svolto nell’ambito di questa tesi rientra in questo contesto, avendo come obiettivo la gestione delle interfacce tra i sensori di bordo e il Data Handling On-Board Computer (DHOBC) – che ospita il software di GN&C del Drop Test – e l’integrazione con il In-Flight Measurement System, basato su un’unità di acquisizione dati (DAU), responsabile della registrazione di dati sperimentali durante il Drop Test, fra cui misure di vari sensori ai fini della missione. In primo luogo, in particolare, vengono assemblate diverse apparecchiature hardware, fornendo le interfacce I/O per ciascun tipo di sensore e stabilendo così le fondamenta per i test in tempo reale. Successivamente, alcuni moduli software sono sviluppati in MATLAB/Simulink per l’acquisizione dei sensori, e infine eseguiti in tempo reale sul DHOBC e sulla DAU del Drop Test. Questo processo di sviluppo, che sfrutta le tecniche di prototipazione rapida, assicura un’adeguata integrazione e dunque la verifica degli equipaggiamenti avionici del Drop Test, con particolare attenzione alle connessioni instaurate per l’acquisizione dei sensori di missione.