Progettazione e validazione sperimentale di compositi avanzati per strutture satellitari

Introduzione 
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La soluzione di tale problema ha richiesto la modifica del progetto esistente del laminato 
costituente il palo in fibra di carbonio e la sua verifica sperimentale per mezzo di metodi 
modali. 
 
La tesi si articola quindi in tre capitoli. 
 
Nel primo sono descritte le varie tipologie di antenne per satelliti oggi utilizzate nelle diverse 
applicazioni, l’ambiente in cui queste devono operare e le metodologie ingegneristiche 
impiegate per la loro progettazione, realizzazione e verifica, con particolare attenzione agli 
aspetti meccanici della progettazione. 
 
Nel secondo è esposta l’applicazione, attraverso la tecnica degli indici di merito, dei criteri di 
scelta ottima sui materiali impiegati nella realizzazione dei più importanti componenti delle 
moderne antenne per satelliti. Da ciò si è ottenuto un panorama ordinato e completo delle 
proprietà meccaniche da tenere in considerazione nella progettazione strutturale degli 
elementi di un’antenna. 
 
Nel terzo capitolo, infine, sono evidenziate le soluzioni tecniche adottate per risolvere il 
suddetto problema sia per ciò che riguarda la selezione e la riprogettazione del materiale dei 
tubi in CFRP, sia per ciò che concerne le prove sperimentali realizzate al fine di confermare la 
bontà delle soluzioni individuate. 
 
Antenne Satellitari 
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1 ANTENNE SATELLITARI 
 
 
 
o scopo del presente capitolo è la descrizione delle varie tipologie di antenne satellitari 
oggi usate nelle diverse applicazioni, dell’ambiente in cui queste devono operare e delle 
metodologie ingegneristiche utilizzate nella loro realizzazione, dando maggior risalto agli 
aspetti meccanici della progettazione. 
La progettazione di antenne per applicazioni spaziali è un settore in costante evoluzione; 
nuove soluzioni e nuove tecnologie sono introdotte continuamente per raggiungere prestazioni 
sempre più avanzate, minimizzando, nello stesso tempo, i costi ed i tempi di sviluppo. 
L’evolversi della domanda nei servizi già esistenti e la nascita di nuove applicazioni sono le 
cause prime di questa crescita continua e non priva di problemi da affrontare, che rendono 
indispensabile il coinvolgimento di vari settori dell’ingegneria. 
Dieci anni fa, la progettazione di un’antenna era in pratica un problema d’ingegneria 
elettromagnetica, in cui gli aspetti meccanici e realizzativi avevano un ruolo secondario. Oggi 
la progettazione di un’antenna allo stato dell’arte non può prescindere dalla formazione di un 
gruppo in cui siano presenti esperti di progettazione elettromagnetica, termo-meccanica e di 
tecnologia dei materiali. 
La crescente complessità nella progettazione delle antenne dipende essenzialmente da due 
fattori: l’aumento delle dimensioni, che richiede il ricorso a materiali compositi e a strutture 
apribili in orbita, e la tendenza ad integrare nell’antenna funzioni finora svolte da altre 
componenti del sistema. La necessità di realizzare antenne di dimensioni maggiori deriva 
dall’esigenza di aumentarne il guadagno
1
 nelle trasmissioni satellitari, al fine di accrescere la 
potenza dei segnali captati e ritrasmessi in una zona di copertura più ristretta. L’integrazione 
nell’antenna di funzioni secondarie è invece riconducibile alla riduzione dei volumi 
all’interno dei lanciatori. 
                                                 
1
 Il guadagno misura la capacità dell’antenna di concentrare l’energia in una particolare direzione; viene definito 
come il rapporto fra la potenza irradiata in una particolare direzione, per unità di angolo solido, e la potenza che 
un’ipotetica antenna isotropa irradierebbe in quella stessa direzione, se alimentata con la stessa potenza totale. 
L
Antenne Satellitari 
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1.1 Il Satellite 
Un satellite è un oggetto artificiale o naturale in orbita intorno alla Terra o a qualsiasi altro 
corpo celeste; la luna è l'unico satellite naturale della Terra. 
Nell’Ottobre del 1957, lo Sputnik I divenne il primo oggetto artificiale ad essere in grado di 
orbitare intorno al nostro pianeta. Da tale evento, centinaia di satelliti sono stati lanciati per 
far fronte ad una crescente richiesta d’informazione ed oggi sono lanciati fra i dieci ed i venti 
satelliti ogni anno. 
Ad ogni satellite messo in orbita è associata una zona di copertura sulla terra: una slot (Figura 
1). Queste zone sono monitorate e stabilite in modo che i diversi satelliti che operano non 
interferiscano tra loro ed assicurino servizi di comunicazione 24 ore su 24. 
 
 
Figura 1: Slot di un satellite 
 
I satelliti che vengono lanciati orbitano o al di sopra o al di sotto della fascia di radiazione di 
Van Hallen, poiché le particelle ionizzate che la compongono sono cariche di energia e 
danneggerebbero le celle solari ed altri componenti allo stato solido del satellite stesso. La 
quota dei satelliti, quindi, deve essere o superiore a circa 10.000 km o inferiore a circa 1.500 
km. In caso di orbita bassa (LEO) al di sotto di 2.000 km, tuttavia, il periodo orbitale 
corrisponderebbe a circa 100 minuti e per coprire l’intero globo occorrerebbero almeno una 
cinquantina di satelliti, poiché ognuno vedrebbe solo una piccola zona della Terra. Le due 
alternative sono l’orbita circolare intermedia, intorno a 10.000 km di altezza (MEO), e l’orbita 
geostazionaria (GEO), con una quota di 36000 km sopra la terra. Alcuni dettagli sulle orbite 
dei satelliti artificiali saranno presentati nel § 1.3 a pagina 10. 
Antenne Satellitari 
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In Figura 2 è mostrato uno schema esemplificativo della posizione e della distribuzione che i 
satelliti in orbita GEO assumono rispetto alla Terra. 
 
 
Figura 2: Disposizione spaziale di alcuni satelliti rispetto alla Terra 
 
Nelle immagini che seguono sono mostrati alcuni esempi di satelliti sviluppati in parte o 
completamente dall’Alcatel Alenia Space. 
 
“Amos 2” 
“Artemis” 
Figura 3: Satelliti per telecomunicazione 
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“Yamal 200” 
“Italsat” 
Figura 4: Satelliti per telecomunicazione 
 
 
 
“Meteosat” 
“Galileo” 
Figura 5: Satelliti per osservazioni meteorologiche e per navigazione e posizionamento 
Antenne Satellitari 
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“Olympus” “Satelcom” 
Figura 6: Satelliti per telecomunicazione 
 
I sistemi di comunicazione con base nello spazio, comunemente detti satelliti, probabilmente 
cambieranno la nostra vita nei prossimi decenni, fornendo informazioni d’ogni tipo ed in tutti 
i punti del pianeta. Spettacoli in realtà virtuale, programmi video a richiesta, servizi di 
telemedicina, istruzione a distanza e internet via satellite sono solo alcuni dei settori che 
avranno un grande sviluppo con questo fiume di dati. 
Tra i principali motivi di diffusione della comunicazione satellitare c’è l’assenza di ostacoli 
tra il satellite e gli utenti, che consente di operare a livelli di potenza più bassi. Per questo 
motivo nell’arco di cinque anni probabilmente saranno in servizio 1.000 satelliti commerciali 
per comunicazione, rispetto agli attuali 220 circa. 
Le tipologie di servizio satellitare sono state identificate e canonizzate dall’ITU (International 
Telecommunications Union); lo stesso ente ha sviluppato una serie di regolamenti per un 
migliore sfruttamento dello “Spazio” che circonda il pianeta Terra. Le classi dei servizi sono: 
 
 ξ  Fixed Satellite Service (FSS); 
 ξ  Broadcast Satellite Service (BSS); 
 ξ  Mobile Satellite Service (MSS); 
 ξ  Land Mobile Service (LMS); 
 ξ  Maritime Mobile (MMS); 
 ξ  Aeronautical Mobile Service (AMS); 
 ξ  Meteorological Satellite Service; 
Antenne Satellitari 
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 ξ  Earth Exploration Satellite Service; 
 ξ  Inter-Satellite Service; 
 ξ  Radio-navigation Satellite Service; 
 ξ  Radio-determination Satellite Service; 
 ξ  Space Operation Service; 
 ξ  Standard Frequency and Time Satellite Service; 
 ξ  Radio Astronomy Service; 
 
La maggior parte della produzione delle antenne è rivolta ai satelliti per le telecomunicazioni 
(FSS e BSS). 
Nei seguenti paragrafi saranno illustrati i principi generali di funzionamento del servizio 
satellitare per telecomunicazione; molte delle parti descritte sono comunque comuni anche ad 
altri servizi. 
 
1.2 La Comunicazione Satellitare 
La comunicazione satellitare nasce, sostanzialmente, per sopperire alle difficoltà 
caratteristiche degli altri tipi di comunicazioni. 
Il sistema non satellitare per trasferire segnali da un punto ad un altro è quello che utilizza 
cavi elettrici, un esempio ne è il servizio telefonico. Non sempre però la stesura del cavo di 
connessione è semplice: basti pensare ai cavi transoceanici necessari alla connessione tra 
Europa ed Americhe. 
L’utilizzo delle comunicazioni terrestri a radiofrequenze risolve parzialmente il problema; in 
questo caso, l’informazione è trasformata in segnale elettromagnetico, irradiata da una 
trasmittente e captata, tramite un’antenna, da chi deve ricevere il segnale. Un esempio 
comune è la comunicazione televisiva terrestre, in cui un segnale viene trasformato in 
radiazioni elettromagnetiche che sono irradiate da antenne trasmittenti e ricevute da antenne 
televisive, che convogliano il segnale stesso verso l’apparecchio televisivo; il segnale, 
tuttavia, diviene sempre più debole quando ci si allontana dalla trasmittente, implicando 
l’utilizzo di una serie di ripetitori che rilanciano il segnale verso il destinatario. In questo 
sistema l’impianto di cavi è sostituito da quello dei ripetitori. 
In entrambi questi casi, comunque, è necessario collegare fisicamente ogni punto trasmittente 
il segnale con le zone che il segnale lo devono ricevere, e non sempre questo è agevole.