Progetto e realizzazione di una camera magnetica per prove di controllo d'assetto

Il controllo del moto attorno al centro di massa di un veicolo spaziale è essenziale per fornire il corretto puntamento della strumentazione che costituisce il carico utile e quindi portare a buon fine la missione.
Alcuni sistemi di controllo d’assetto utilizzano il campo magnetico terrestre per generare una coppia attraverso opportuni attuatori magnetici.

Il progetto di tali attuatori e gli effetti sulla dinamica del satellite avviene con modelli matematici e simulazioni numeriche.

La verifica sperimentale a terra richiede l’utilizzo di camere magnetiche per la generazione di un campo magnetico uniforme e variabile secondo le esigenze della prova stessa in una prefissata zona di prova, che contiene il satellite.

L’obiettivo della tesi è lo studio, il progetto e la realizzazione di una camera magnetica per le prove del comportamento magnetico di piccoli satelliti.
Per verificare la correttezza del progetto e valutare l’effetto di eventuali imperfezioni realizzative sono state eseguite delle prove preliminari di funzionamento.

Il problema della realizzazione delle camere magnetiche si è presentato sin dai primi studi effettuati sui fenomeni dell’elettromagnetismo e fu lo stesso Helmoltz a realizzarne una con due bobine circolari per i suoi studi sulla conservazione dell’energia, note appunto come “bobine di Helmoltz”.

Successivamente si sono sviluppati diversi tipi di camere magnetiche ognuna con caratteristiche adatte a particolari finalità.

Nel primo capitolo se ne riferisce sommariamente lo sviluppo storico illustrando i principali criteri progettuali, basati per lo più su modelli analitici del campo ottenuto all’interno della camera.

Nel capitolo 2 si forniscono i requisiti di progetto di una camera magnetica per la prova di piccoli satelliti con un confronto tra diverse possibilità realizzative basate su bobine circolari, quadrate e ottagonali.

Nel capitolo 3 si effettua lo studio dettagliato del sistema dal punto di vista delle prestazioni e della realizzazione pratica, confrontando diverse configurazioni per tipologia e numero di bobine. In particolare si considerano come requisiti di progetto l’uniformità del modulo e la deviazione del campo magnetico rispetto all’asse di simmetria delle bobine su una sfera di raggio prefissato.
I risultati portano alla selezione di un sistema di due bobine ottagonali, per ottenere il miglior compromesso tra vincoli costruttivi e prestazioni. Il parametro principale su cui si esegue l’ottimizzazione del sistema è la distanza tra le bobine.

Nel capitolo 4 si illustra il progetto degli elementi costruttivi della camera, i parametri elettrici e la lunghezza del cavo, con un modello virtuale.

Nel capitolo 5 si illustrano i risultati delle prove di funzionamento preliminari, per valutare le prestazioni del sistema che dimostrano come l’uniformità del modulo e la deviazione massima siano confrontabili con i requisiti prefissati.