ITUB20159411A1 - Sistema di puntamento stabilizzato compatto - Google Patents

Description

SISTEMA DI PUNTAMENTO STABILIZZATO COMPATTO

L' ambito di applicazione preferito della presente invenzione riguarda la stabilizzazione deH’orientamento di una piattaforma di puntamento in satelliti di piccole dimensioni, quali sono ad esempio i così detti nano-satelliti. Come sarà chiaro dalla seguente descrizione l’impiego di nano-satelliti per applicazioni spaziali a basso costo, richiede che questi ultimi abbiano prestazioni adeguate a sostenere le nuove applicazioni possibili; ad esempio potrebbero essere necessarie capacità di telecomunicazione superiori a quelle attualmente disponibili, e in quest’ambito potrebbe risultare particolarmente utile dotare tali nano-satelliti di una piattaforma stabilizzata che permetta ad esempio di alloggiare un terminale per telecomunicazioni che sfrutti portanti in banda ottica, il quale, a sua volta, richiede un puntamento accurato per poter funzionare.

Ciò detto, sebbene l’esigenza di una piattaforma stabilizzata sia molto attuale, e sia caratterizzata da requisiti molto esigenti, nelle succitate applicazioni spaziali è chiaro che la tecnologia di seguito presentata potrebbe trovare applicazione anche in altri contesti in cui vi sia la medesima esigenza, traducibile nel requisito applicativo generico di disporre di una piattaforma leggera e compatta in grado di mantenere un orientamento stabile anche se montata in un sistema di supporto non stabilizzato con sufficiente accuratezza.

I satelliti tradizionali sono caratterizzati da un alto costo dei lanci e da tempi particolarmente lunghi, che appaiono necessari, per mettere in atto ogni missione o progetto. Queste prerogative costituiscono un limite alla diffusione di satelliti tradizionali e al loro utilizzo per applicazioni innovative ad alto rischio imprenditoriale e, di conseguenza, rappresentano anche un freno ai processi di ulteriore sviluppo, anche sotto l’aspetto tecnologico.

Tale scenario tecnico-economico, che penalizza il pieno sviluppo delle applicazioni spaziali di carattere commerciale basate su piattaforme satellitari tradizionali, sembra d’altro canto favorire l’impiego di satelliti di piccole o piccolissime dimensioni, come ad esempio i cosi-detti nano-satelliti. Questi ultimi, infatti, si presentano come una soluzione tecnologica utilizzabile in numerose applicazioni, e che può aggirare queste limitazioni.

Si può quindi constatare come si stia rapidamente affermando il ricorso a satelliti che pesano poche decine di chilogrammi o anche meno: ricordiamo che, convenzionalmente, con la denominazione “nano-satellite’’ si intende un satellite che pesa meno di dieci chilogrammi, fino a pesare solo pochi chilogrammi e assumere dimensioni dell’ordine dei pochi decimetri.

Dimensioni e pesi così ridotti permettono di abbattere drasticamente il costo del loro lancio in orbita. Questo fatto è molto importante in quanto innesca un meccanismo economico virtuoso: infatti il previsto maggior numero di lanci giustifica l’affermazione di standard costruttivi che permetteranno la progettazione modulare di piattaforme nano-satellitari, e la conseguente ulteriore riduzione dei costi. Ancora, il gran numero di oggetti costruiti secondo opportuni standard consentirà di ottenere prestazioni ed affidabilità sempre maggiori, favorendo sempre di più raffermarsi della tecnologia nano-satellitare per tutte le applicazioni che lo permetteranno.

Pertanto, nel seguito si farà in genere riferimento al caso di piattaforme stabilizzate montate su nano- satelliti; ma ciò non è per escludere il caso di satelliti più grandi o addirittura il montaggio in altri ambienti in cui serva ricavare una piattaforma capace di mantenere un puntamento stabilizzato. Il riferimento ai nano-satelliti costituisce solamente un caso di applicazione tipico che, oltre a costituire un caso di applicazione utile per illustrare efficacemente la presente invenzione, rappresenta anche un’applicazione molto attuale e particolarmente sfidante sotto il profilo tecnico.

Questa brevissima panoramica sull’atteso successo delle piattaforme nanosatellitari viene qui citata principalmente per inquadrare l’importanza di un problema tecnico la cui soluzione potrebbe avere un impatto fondamentale per quanto riguarda l’accelerazione dello sviluppo delle applicazioni basate su tecnologia nanosatellitare.

Infatti, le ridotte dimensioni ed i ridotti pesi, se da un lato hanno il vantaggio di innescare le ottimizzazioni economiche di cui si è fatto cenno sopra, dall’altro lato pongono dei problemi tecnici nuovi, in quanto anche tutta la strumentazione di bordo (o payload) deve essere progettata per essere particolarmente piccola, compatta e leggera, garantendo al contempo elevate prestazioni pur con le esigue risorse disponibili.

In particolare è importante considerare con attenzione le prestazioni dei sistemi di telecomunicazione. Infatti ogni satellite necessita di comunicare a prescindere dall’applicazione per cui è concepito. Ad esempio, un satellite di osservazione, che riprende immagini della terra, deve poterle poi trasmettere ad un centro di controllo, così come deve fare un satellite concepito per raccogliere dati metereologici o ambientali.

Il problema delle comunicazioni, nel caso dei nano-satelliti, è anche caratterizzato dal fatto che tali satelliti sono posti in orbite abbastanza basse e pertanto si muovono rispetto alla terra (ed in generale anche l’uno rispetto all’altro) a velocità abbastanza sostenute, per cui le finestre temporali di visibilità, ossia i periodi di tempo durante i quali due terminali possono comunicare perché sufficientemente vicini ed in vista l’uno all’altro, possono essere molto brevi.

Questo vincolo sulle tempistiche di comunicazione, unito ai requisiti sulle quantità di dati da trasmettere che ciascuna applicazione richiede, spinge a ricercare sistemi di comunicazione in grado di supportare notevoli velocità di trasmissione. Ciò perché, maggiore è la velocità di trasmissione di dati che un nano-satellite può supportare, maggiore è il numero di funzioni che questo può eseguire, e meno critica e complessa sarà la rete di telecomunicazioni che dovrà essere predisposta per ogni data applicazione di tali nano-satelliti.

La velocità di trasmissione via radio è a sua volta legata alla potenza del trasmettitore, e la potenza legata al peso e alle dimensioni del sistema. In sintesi, se i requisiti di leggerezza e di dimensioni rappresentano requisiti costitutivi fondamentali per i nano-satelliti, si può concludere che le comunicazioni radio che essi possono attivare risultano limitate in velocità da vincoli di peso e di dimensioni del trasmettitore (quindi limiti sulla potenza disponibile).

Tale limitazione che riguarda le comunicazioni radio ha determinato un crescente interesse per le comunicazioni ottiche. Queste ultime infatti permettono di ottenere link-budget che, a parità di potenza disponibile a bordo del nano-satellite, possono raggiungere velocità di trasmissione di vari ordini di grandezza superiori alle velocità di trasmissione ottenibili con trasmettitori in radio frequenza. Ciò è dovuto alla maggiore direttività con cui possono essere emesse le portanti ottiche ed alla migliore gestibilità dei disturbi nei segnali ottici. Tutto ciò si traduce, in sintesi, nella conclusione che le comunicazioni ottiche sono particolarmente adatte a realizzare terminali capaci di supportare notevoli velocità di trasmissione pur mantenendo pesi e dimensioni ridotte.

Si precisa a tal proposito che la tecnologia di comunicazione non è comunque oggetto della presente invenzione, in quanto sono noti sistemi di trasmissione ottica idonei ad applicazioni di comunicazione con satelliti di grandi dimensioni, ovvero prototipi di tali sistemi concepiti per il funzionamento con nano-satelliti. Piuttosto, la presente invenzione si focalizza sulla meccanica di supporto degli elementi di telecomunicazione veri e propri ed indica una piattaforma che deve mantenere stabilizzato il puntamento per poter avvalersi dei vantaggi dati dalla estrema direttività che può essere raggiunta con le trasmissioni su portanti ottiche.

Ai fini dell’illustrazione della presente invenzione, le considerazioni sopra riportate servono solamente ad indicare il motivo per cui è importante poter usare terminali ottici nell’ambito delle comunicazioni che coinvolgono almeno un nano-satellite: e tale motivo è che le comunicazioni su portanti ottiche (o portanti laser) sono particolarmente idonee a supportare comunicazioni ad alta velocità e basso consumo.

L’estrema direttività con cui viene emessa una portante laser per comunicazioni ottiche alle distanze tipiche delle applicazioni spaziali, per contro, richiede una precisione di puntamento estremamente elevata, dell’ordine dei microradianti. A seconda dei casi, le comunicazioni ottiche a grandi distanze, e caratterizzate da capacità abbastanza elevate, possono imporre dei requisiti sulla precisione di puntamento dell’ordine di alcuni o di alcune decine di micro-radianti.

La successione di argomentazioni fin qui presentate giunge, pertanto, all’individuazione di un problema tecnico decisamente impegnativo.

Infatti i nano-satelliti, avendo una massa molto ridotta, sono soggetti a sollecitazioni in un ampio spettro di frequenze che determinano movimenti difficili da compensare. Inoltre, essendo per ragioni di peso e di ingombro, contingentate le risorse di bordo (quali ad esempio il propellente, la potenza o le masse inerziali), la stabilizzazione accurata di un intero nano-satellite risulta davvero molto complessa da ottenere. Pertanto, il sistema di puntamento necessario per tenere attivo un collegamento di tipo wireless direttivo, in modo particolare quando esso è attivo su una portante ottica, deve compensare l’instabilità intrinseca dell’orientamento del nano-satellite su cui è montato.

Le prestazioni di comunicazione, coinvolgenti un nano-satellite, e che sono fino ad oggi state ottenute mediante sistemi noti, sono da considerarsi ancora insufficienti.

L’obiettivo è quello di realizzare un terminale molto compatto il cui peso, comprensivo del meccanismo di puntamento e stabilizzazione, sia dell’ordine del chilogrammo (o anche inferiore) e che al contempo garantisca il mantenimento di precisioni di puntamento molto elevate anche quando installato su una piattaforma particolarmente instabile quale quella costituita da un nano-satellite estremamente sensibile ai disturbi ambientali, in quanto dotato di un sistema di controllo d’assetto avente prestazioni molto inferiori a quelle tipiche per satelliti tradizionali di grandi dimensioni.

La criticità del problema tecnico indicato trova riscontro nel fatto che non sono ancora state proposte soluzioni pienamente soddisfacenti.

Ad esempio, in alcuni progetti coordinati dal MIT (Massachusetts Institute of Technology), dove questi problemi sono affrontati con metodologie di avanguardia, si cerca una soluzione tecnica al problema della stabilizzazione del puntamento mediante il ricorso ad una tecnologia detta FSM (Fast Steerining Mirrar), ossia una tecnologia in cui una sorgente laser fissa rispetto al nano-satellite punta su uno specchietto ad orientamento controllabile capace di mantenere stabile l’orientamento del raggio riflesso.

Il ricorso alle tecnologie FSM consente di contenere abbastanza i pesi e gli ingombri, in quanto l’emettitore laser (fisso) può essere fissato con supporti piccoli e leggeri, lo specchietto è anch’esso un elemento leggero, e i motori che controllano i gradi di libertà associati allo specchietto, in genere due gradi di libertà, possono essere miniaturizzati in modo abbastanza spinto. Il limite delle tecnologie FSM sta nel range di puntamento molto limitato, tipicamente inferiore ai decimi di grado. Soprattutto per le alte frequenze, gli attuatori molto veloci hanno corse ridotte, e questa limitazione di range comporta almeno due controindicazioni molto significative. La prima consiste nel fatto che la tecnologia FSM non può eseguire la funzione di puntamento, ma solo quella di stabilizzazione fine: e pertanto il sistema complessivo deve essere composto da un meccanismo di puntamento, magari con prestazioni insufficienti, accoppiato al sistema di stabilizzazione in tecnologia FSM.

La seconda controindicazione è che la limitazione di range necessita di essere anche compensata con portanti ottiche a divergenza ampia, il che penalizza il guadagno e, di conseguenza, riduce la capacità trasmissiva. Infatti, le implementazioni al momento disponibili soffrono proprio delle limitazioni sopra accennate che sono abbastanza critiche rispetto a molte applicazioni di interesse, in quanto hanno impatto sia sulla compattezza del sistema e sia sulla sua ridotta idoneità a supportare comunicazioni ad alto bit-rate.

Altri progetti, come ad esempio il progetto SOTA (Small Optical Transponder), promosso dal "Japanese National Institute of Information and Communication Tecnologies" orientano i loro sviluppi nella messa a punto di trasmettitori ottici direttamente montati su meccanismi con snodi controllabili che permettono di controllare almeno 2 gradi di libertà. Tale progetto tuttavia prevedeva il montaggio del sistema di telecomunicazione su di una piattaforma di dimensioni e massa che non ne permettono l’integrazione a bordo di un nano-satellite; pertanto erano meno stringenti i vincoli di massa e potenza, ed anche i requisiti di puntamento risultavano meno gravosi in quanto un satellite più grosso è anche intrinsecamente più stabile. Tutto ciò ha portato allo sviluppo di soluzioni con caratteristiche che non possono essere scalate su nano-satelliti, con terminali ottici dal peso complessivo (comprendente la meccanica di puntamento) dell’ordine di vari chilogrammi.

Pertanto lo scopo fondamentale della presente invenzione è quello di concepire un nuovo meccanismo capace di garantire un puntamento molto stabile con precisioni molto elevate anche se montato in un supporto (quale ad es. un nanosatellite) soggetto a significativi movimenti e vibrazioni in un ampio spettro di frequenze.

Altro scopo della presente invenzione è quello di concepire un nuovo meccanismo di stabilizzazione più leggero e compatto di quelli noti e, possibilmente, economico (anche in termini di affidabilità e di operatività).

Infine ulteriore scopo della presente invenzione è quello di concepire un nuovo meccanismo di puntamento stabilizzato che possa rappresentare un modulo, potenzialmente standardizzabile, adatto ad essere accoppiato ad un satellite di piccole dimensioni (ad es. un nano-satellite) per operare in ambiente spaziale.

Gli scopi prefissati per questa invenzione sono raggiunti mediante il ricorso ad un sistema di stabilizzazione che comprende un elemento di supporto mobile (da stabilizzare in orientamento) vincolato con almeno tre elementi di vincolo ad una piattaforma instabile, e detti vincoli sono caratterizzati dal fatto che:

1 . un elemento di vincolo è uno snodo, ossia un vincolo che consente la sola rotazione con almeno due gradi di libertà, che collega detto elemento di supporto mobile e detta piattaforma instabile;

2. gli altri almeno due elementi di vincolo sono rappresentati da gambe estensibili di lunghezza variabile vincolate ciascuna a detto elemento di supporto mobile da una loro estremità e a detta piattaforma instabile dall’altra estremità;

3. i vincoli di dette almeno due gambe estensibili sia con detto elemento di supporto mobile che con detta piattaforma instabile sono costituiti da snodi che consentono la sola rotazione relativa con almeno due gradi di libertà; 4. nel caso in cui entrambi i vincoli alle due estremità di una gamba estensibile permettano rotazioni con soli due gradi di libertà, tale gamba estensibile presenta una sua parte libera di ruotare rispetto ad un’altra sua parte attorno l’asse di estensione (la gamba integra pertanto uno snodo interno che permette la torsione);

5. ciascuna gamba estensibile comprende un elemento attuatore controllabile che ne permette il controllo della lunghezza;

6. almeno una gamba estensibile (ma nelle implementazioni preferite ognuna delle gambe presenti) comprende un elemento di attenuazione e smorzamento del moto di estensione o della compressione.

Il vantaggio principale della presente invenzione è dato dal fatto che un sistema di stabilizzazione di una piattaforma mobile realizzato secondo gli insegnamenti della presente invenzione, soddisfa gli scopi principali per cui è stata concepita.

Tale invenzione presenta anche ulteriori vantaggi che saranno resi maggiormente evidenti dalla seguente descrizione che ne evidenzia ulteriori dettagli, dalle rivendicazioni allegate che costituiscono parte integrante della descrizione stessa e dall’illustrazione di alcuni esempi di realizzazione pratica descritti, a titolo non limitativo, nel seguito e nei disegni allegati in cui:

• Figura 1 mostra un satellite equipaggiato con una piattaforma stabilizzata secondo l’invenzione;

• Figura 2 mostra in maggiore dettaglio gli elementi caratterizzanti della piattaforma stabilizza secondo l’invenzione.

• Figura 3 mostra un caso particolare di montaggio del sistema di stabilizzazione complessivo.

Figura 1 offre una vista d’insieme di un nano-satellite in cui è evidenziata la presenza di un trasmettitore ottico per telecomunicazioni montato su un supporto orientabile stabilizzato secondo l’invenzione.

Il numero 100 è indica la piattaforma nano-satellitare al netto di ogni carico utile (o payload). Con il numero 101 è indicato un sistema di riferimento cartesiano solidale con detta piattaforma nano-satellitare 100.

Il sistema di riferimento 101 è soggetto ai movimenti della piattaforma nanosatellitare 100 e pertanto esso si muove sia rispetto alla terra che rispetto ad altri satelliti. Per quanto già detto relativamente alle piattaforme nano-satellitari, tali movimenti di detto sistema di riferimento 101 sono sia di traslazione che di rotazione, e sono movimenti descrivibili con ampiezze significative in un ampio spettro di frequenze.

Tali caratteristiche del movimento del sistema di riferimento 101 sono da ascriversi strutturalmente alla tecnologia delle piattaforme nano-satellitari e non è prevedibile attendersi che siano impiegate a breve tecnologie di stabilizzazione dell’intera piattaforma nano-satellitare tali da eliminare alcune componenti di tali moti, senza ridurre o pregiudicare le risorse a disposizione del carico utile (o payload) del nanosatellite.

Infatti l’eliminazione, o anche solo una significativa limitazione, ad esempio dei moti di rotazione, richiederebbe sistemi di stabilizzazione con impatto significativo sui vincoli di peso e di costo; mentre nelle piattaforme nano-satellitari la ricerca, a volte anche esasperata, della riduzione dei pesi e dei costi sembra avere in questo momento la priorità.

La presente invenzione si propone quindi di assecondare questa tendenza evolutiva delle piattaforme nano-satellitari (e dei piccoli satelliti in genere), proponendo una soluzione al problema del puntamento stabilizzato che abbia un impatto minimo su tali piattaforme satellitari, come queste si stanno rapidamente affermando.

Tale soluzione presenta quindi caratteristiche spinte di modularità, nel senso che mantiene un impatto minimo sui requisiti di sviluppo e di evoluzione delle piattaforme su cui andrà applicata. E’ pertanto una soluzione che si propone a pieno titolo ad essere indicata per costituire un possibile standard nel settore.

Sempre in Figura 1 , con il numero 111 è indicato un elemento di fissaggio solidale con il sistema di riferimento 101 che offre un punto di vincolo su cui fissare un elemento di supporto mobile ed orientabile. Detto elemento di supporto mobile è indicato in Figura 1 con il numero 210, mentre con il numero 211 è indicato il vincolo di fissaggio vero e proprio di detto elemento di supporto mobile 210 con detto elemento di fissaggio 111 , e quindi con la piattaforma nano-satellitare100; e detto vincolo 211 è costituito da uno snodo libero che consente, a seconda dell’applicazione, due o tre gradi di libertà di rotazione.

Si osserva a questo punto che per determinare l’orientamento (o il puntamento) dell’elemento di supporto 210 sarebbero teoricamente sufficienti due gradi di libertà rotazionali; tuttavia il meccanismo di puntamento e stabilizzazione che verrà descritto nel seguito si avvale, preferenzialmente, di movimenti che prevedono che detto vincolo di fissaggio 211 possa essere costituito anche da uno snodo rotazionale con tre gradi di libertà. Il terzo grado di libertà rotazionale può infatti risultare utile anche per far compiere al sistema di puntamento movimenti con traiettorie più convenienti che permettono di soddisfare condizioni di ottimizzazione aggiuntive, come ad esempio il minimo consumo di potenza o la maggiore velocità di attuazione ecc..

Detto elemento di fissaggio 111 , fisso rispetto al sistema di riferimento 101 della piattaforma nano-satellitare 100, può essere costituito da una sorta di staffa applicata ad una piattaforma nano-satellitare in accordo ad uno degli standard disponibili, o può comunque essere costituito da un qualsiasi elemento di una piattaforma nano-satellitare esistente, ad esempio uno spigolo, che consenta di agganciare l’elemento di supporto mobile 210 in un punto snodato posto in una posizione che permetta un adeguato margine per il movimento di rotazione in tutte le direzioni, consentendo quindi una sufficiente ampiezza di puntamento.

In una variante realizzativa, detto elemento di fissaggio 111 può anche essere parte, o costituire, una piattaforma intermedia, mobile rispetto al sistema di riferimento 101 , solidale alla piattaforma satellitare 100, ma comunque ancora instabile, rispetto alle esigenze di puntamento del sistema.

Come detto, nel caso in cui non vi siano piattaforme intermedie (il caso con piattaforme intermedie verrà illustrato in seguito), detto elemento di supporto mobile 210 è vincolato alla piattaforma nano-satellitare 100 mediante lo snodo indicato in Figura 1 con il numero 211 (posto sull’elemento di fissaggio 111) che permette solo movimenti di rotazione con due o tre gradi di libertà.

Con il numero 201 è poi indicato un sistema di riferimento cartesiano solidale a detto elemento di supporto mobile 210. Per effetto del tipo di vincolo con cui detto elemento di supporto 210 è vincolato alla piattaforma nano-satellitare 100, il sistema di riferimento 201 può ruotare rispetto al sistema 101 solidale alla piattaforma nanosatellitare 100. In particolare, detto elemento di supporto mobile 210 può essere controllato in modo da mantenere un particolare puntamento indicato, in Figura 1, dall’asse “w” del sistema di riferimento 201.

Con il numero 220 è rappresentato, ancora in Figura 1 , l’esempio dell’antenna ottica di un trasmettitore laser idoneo a trasmettere un segnale di telecomunicazione modulato su una portante ottica. Detto trasmettitore laser 220 è montato su detto elemento di supporto mobile 210 ed è solidale con esso. Nel caso rappresentato in Figura 1, il sistema di riferimento 201 solidale all’elemento di supporto mobile 210 è stato scelto in modo che l’asse “w” coincida anche con la direzione di puntamento del trasmettitore laser 220. Owiamente i meccanismi di montaggio del trasmettitore laser 220 sull’elemento di supporto mobile 210 possono essere di vario tipo: ciò che conta ai fini della implementazione della presente invenzione è il fatto che il trasmettitore laser 220 sia montato su un elemento di supporto 210, mobile rispetto alla piattaforma nano-satellitare 100 (che è una piattaforma intrinsecamente instabile), e mediante il controllo di detto elemento di supporto mobile 210 sia possibile sia controllare che stabilizzare la direzione di puntamento di detto trasmettitore laser 220.

L’uso delle due espressioni distinte: “stabilizzare" e “controllare" il puntamento, è essenziale per precisare che il meccanismo descritto è idoneo a supportare anche la funzionalità di puntamento vera e propria, potendo operare su ampiezze di rotazione, che facilmente raggiungono l’ordine della decina di gradi.

Altri metodi noti, che sono in grado di compensare l’instabilità di una piattaforma, non permettono “range" di movimento sufficienti a controllare il puntamento vero e proprio, e pertanto devono essere accoppiati ad altri sistemi che possono garantire un puntamento che deve poi essere stabilizzato con un controllo più fine.

Va inoltre precisato che il controllo del puntamento di detto elemento di supporto 210 non avviene mediante l’applicazione diretta di coppie di attuazione sullo snodo 211 (il che comporterebbe di esercitare le movimentazioni dell’elemento di supporto mobile 210 ricorrendo a leve svantaggiose): quest’ultimo snodo, infatti, è mantenuto estremamente semplice dal punto di vista costruttivo, ed è costituito da un puro vincolo rotante. Lo snodo 211, pertanto, in una implementazione preferita è un meccanismo molto semplice privo di ingranaggi o di meccanismi di trasmissione del moto e può essere costituito, ad esempio, da un accoppiamento a cuscinetti rotanti, caratterizzato pertanto da elevata affidabilità.

L’orientamento dell’elemento di supporto mobile 210, rispetto alla piattaforma instabile nano-satellitare su cui è montato, è quindi determinato da attuatori costituiti da almeno due gambe estensibili.

Con il numero 310 è indicata una delle gambe con cui detta piattaforma mobile 210 è vincolata a detta piattaforma nano-satellitare 100, mentre con il numero 320 è indicata una seconda gamba estensibile, analoga alla gamba 310, ma non necessariamente identica.

Detta gamba estensibile 310 è vincolata nelle sue due estremità con dei vincoli rotanti: da un lato è collegata a detto elemento di supporto mobile 210, e dall’altro lato è collegata alla piattaforma nano-satellitare 100. E’ importante precisare che anche negli snodi di vincolo della gamba 310 non è prevista, come nel caso dello snodo 211 (con cui l’elemento di supporto mobile 210 è collegato alla piattaforma nano-satellitare 100), l’applicazione diretta di alcuna coppia motrice. I soli elementi di attuazione attivi previsti si trovano quindi nei meccanismi di estensione delle gambe.

L’orientamento dell’elemento di supporto mobile 210 è pertanto determinato dalla lunghezza assunta dalle gambe estensibili con cui detto elemento di supporto mobile 21 0 è collegato a detta piattaforma nano-satellitare 1 00.

Lo snodo 211 ed i collegamenti mediante le gambe estensibili sono gli unici vincoli con cui detto elemento di supporto mobile 210 è collegato alla piattaforma nanosatellitare 100, dalla quale subisce le sollecitazioni che lo rendono instabile, tanto da rendere particolarmente difficoltoso un puntamento preciso.

Va infine precisato come le varie gambe estensibili, nell’ implementazione preferita, siano tutte con le stesse caratteristiche (di fatto tutte uguali). Tuttavia, in teoria, esse possono anche essere di forma e dimensione diverse, e possono anche presentare alcune caratteristiche meccaniche diverse. Tuttavia tali gambe, come la gamba 31 0, sono tutte caratterizzate da essere connesse alle loro estremità, con vincoli rotanti, da un lato all’elemento di supporto mobile 210, e dall’altro lato alla piattaforma nanosatellitare 100. Inoltre tutte le gambe estensibili sono, per l’appunto, estensibili in modo controllato in quanto comprendono un attuatore lineare. Si precisa che con l’espressione “attuatore lineare", si intende riferirsi a qualsiasi tipo di attuatore, comprendente eventualmente anche meccanismi di trasformazione del moto di tipo rotativo, che permettono però di variare in modo controllato la lunghezza di una gamba estensibile. Ed è proprio la lunghezza assunta da tali gambe estensibili che determina l’orientamento di detto elemento di supporto mobile 210 rispetto alla piattaforma nano-satellitare 100.

Figura 2 riprende un esempio di implementazione simile a quello di Figura 1 (che è per l’appunto molto adatto ad illustrate i principi inventivi della presente invenzione), e pertanto anche in Figura 2 sono indicati con i medesimi numeri usati in Figura 1 alcuni elementi del sistema per il puntamento stabilizzato dell’elemento di supporto mobile 210 secondo gli insegnamenti della presente invenzione. Pertanto, con il numero 100 è indicata la piattaforma nano-satellitare (di cui in Figura 2 è visibile solo una piccola parte), con il numero 210 è ancora rappresentato l’elemento di supporto mobile e con il numero 220 è indicata l’antenna ottica del trasmettitore laser. Come in Figura 1 , la direzione di puntamento dell’antenna ottica del trasmettitore laser 220 è la direzione dell’asse “w” del sistema di riferimento cartesiano 201 solidale con l’elemento di supporto mobile 210.

Con il numero 200 è poi genericamente indicato il sistema mobile costituito dall’insieme di tutti gli elementi solidali con l’elemento di supporto mobile 210.

In figura 2 sono inoltre evidenziate due gambe estensibili che, in funzione delle loro lunghezze variabili, determinano l’orientamento del sistema mobile 200. Dette due gambe estensibili sono indicate con i numeri 310 e 320. Nella gamba indicata con il numero 310, che si trova in primo piano ed confinata all’interno di un rettangolo tratteggiato, sono evidenziati alcuni elementi caratterizzanti che la compongono.

Con il numero 311 è rappresentato uno snodo libero che consente alla gamba estensibile 310 di essere collegata all’elemento di supporto mobile 210. Con il numero 314 è invece rappresentato un altro snodo con almeno due gradi di libertà che consente alla gamba estensibile 310 di essere collegata, dall’altra estremità, alla piattaforma nano-satellitare 100.

Nell’esempio implementa† ivo di Figura 2, solo lo snodo 311 è costituito da un vincolo rotante libero con tre gradi di libertà, mentre l’altro vincolo è realizzato con un più semplice snodo a due gradi di libertà, tuttavia la scelta implementa† iva potrebbe essere invertita e prevedere che lo sia snodo 314 ad essere libero di ruotare con tre gradi di libertà. Premesso che in un sistema a due gambe estensibili è possibile una configurazione in cui tutti gli snodi siano liberi (a tre gradi di libertà), è teoricamente anche possibile un’ulteriore variante che consente invece di usare snodi a due soli gradi di libertà ad entrambe le estremità di ciascuna gamba estensibile: in questo caso si genererebbero degli sforzi di torsione sulla gamba estensibile, tuttavia il fenomeno potrebbe essere facilmente assecondato realizzando una gamba estensibile che prevede la presenza in un suo punto intermedio di una giuntura che permette una torsione libera.

Ad ogni modo, tra le varianti implementative citate, sono preferite le implementazioni in cui un vincolo rotante ad una estremità della gamba estensibile 310 è uno snodo libero, mentre l’altro vincolo rotante posto all’altra estremità della gamba estensibile 310 è uno snodo a due gradi di libertà.

T ornando all’esame della gamba estensibile 310 (come del resto anche nelle altre gambe estensibili presenti) si segnala che essa comprende almeno due elementi estensibili posti in serie, cosicché quando entrambi si estendono, l’estensione complessiva della gamba 310 è data dalla somma delle estensioni dei due elementi; quando invece entrambi si comprimono, la compressione complessiva della gamba 310 è data dalla somma delle compressioni dei due elementi (evidentemente quando un elemento si comprime e l’altro si estende, i due effetti si compenseranno almeno parzialmente nella variazione di lunghezza della gamba).

Con il numero 313 è rappresentato un elemento di attenuazione e smorzamento, che è un elemento passivo di compressione o estensione. Detto elemento passivo 313, in una implementazione tipica, è caratterizzato da una rigidezza “k” e da un fattore dissipativo “c" e, di fatto, si comporta come una molla (in genere non lineare, e dotata anche di proprietà dissipative) fungendo da filtro passa-basso (almeno del secondo ordine essendo anche caratterizzato, come detto, da un coefficiente di attrito dissipativo).

Con il numero 312 è invece rappresentato un attuatore lineare che permette l’allungamento e/o l’accorciamento della gamba. Si tratta, in questo caso, di elemento attivo e controllabile, che permette di modificare la lunghezza della gamba 310 entro un determinato intervallo.

Si noti che quanto più lo smorzatore passivo 313 si comporta come un filtro passa basso ideale con frequenza di taglio bassa, e tanto più l’elemento di supporto mobile 210 risulterebbe stabilizzato in orientamento, almeno quando sollecitato da frequenze ben superiori alla frequenza di taglio. Infatti tutte le sollecitazioni ad alta frequenza determinate dai movimenti della piattaforma nano-satellitare 100, e trasmesse attraverso il vincolo 314, sarebbero assorbite da detto elemento smorzatore passivo 313, che all’altro suo estremo si presenterebbe quasi fermo, e trasferirebbe all’elemento di attuazione attivo 312 solo movimenti a bassa frequenza.

E’ evidente tuttavia che i comportamenti ideali sono delle approssimazioni teoriche non replicabili in sistemi reali e, soprattutto, il controllo della lunghezza della gamba richiede che le sollecitazioni di controllo vengano trasmesse anche quando esse contengono componenti a frequenze abbastanza alte (ad es. per avere dei controlli di puntamento veloci). Pertanto detto elemento passivo 313 di attenuazione e smorzamento, assorbe solo una parte delle sollecitazioni prodotte su ciascuna gamba estensibile dalla piattaforma nano-satellitare 100 a cui è collegato, e trasferirà un’altra parte di queste sollecitazioni anche all’altro suo estremo. L’attuatore lineare 312 è pertanto necessario per compensare tutte le sollecitazioni non filtrate dallo smorzatore passivo 313 (ed in particolare le frequenze più basse per cui lo smorzatore non è progettato).

E’ ora chiaro come la presenza di un elemento passivo 313 in ogni gamba del sistema di stabilizzazione secondo l’invenzione permetta di facilitare il controllo di stabilizzazione dell’elemento di supporto mobile 210, filtrando una buona parte dei moti che sarebbero stati da compensare.

Dovrebbe quindi essere ora chiaro che quanto più lo smorzatore passivo 313 è in grado di filtrare, assorbendole, le sollecitazioni indotte dalla piattaforma nanosatellitare 100, tanto più semplificato risulterà il compito di stabilizzazione a carico dell’elemento attivo costituito dall’attuatore lineare 312.

In una implementazione tipica della presente invenzione, l’elemento passivo 313 di attenuazione e smorzamento comprende una molla con rigidezza molto bassa. Si noti a tal proposito che in ambienti a bassa gravità (quale è l’ambiente spaziale) è certamente possibile usare molle molto “lasche’’ (in quanto non vi è la necessità di compensare dei pesi che potrebbero comprimere o estendere eccessivamente tali molle troppo “lasche”). Tuttavia sono in corso degli studi per concepire smorzatori passivi più complessi di quanto non siano delle semplici molle, ed i risultati di tali studi potranno generare altre tipologie di smorzatori 313 con prestazioni sempre più efficienti in relazione all’applicazione indicata dagli insegnamenti descritti nel presente brevetto.

In generale, nei casi reali in cui per la costruzione delle gambe estensibili si ricorra a molle o a stantuffi o ad altri componenti fisici reali, la loro caratterizzazione formale potrà prevedere una modellizzazione semplificata in cui un elemento puramente elastico (caratterizzato da un coefficiente di elasticità “1/k") ed un elemento dissipativo (caratterizzato da un coefficiente “c") sono posti in serie. Oppure possono essere impiegate modellizzazioni più complesse in cui possono comparire più contributi elastici e dissipativi posti in varie combinazioni sia in serie che in parallelo.

Gli insegnamenti della presente invenzione permettono quindi di realizzare un elemento di supporto mobile 210 controllabile nel suo orientamento mediante alcuni (in genere due) attuatori lineari, ed il sistema stabilizzato complessivo risulta realizzabile in modo molto compatto e mantenendo pesi alquanto ridotti.

Il controllo di stabilizzazione che può essere implementato raggiunge prestazioni di precisione e rapidità di risposta molto soddisfacenti grazie al particolare sistema di vincoli ed all'inserimento di alcuni elementi passivi di attenuazione e smorzamento che rendono molto più semplice la progettazione di una funzione di controllo automatico con cui comandare gli attuatori lineari che costituiscono, per l’appunto, gli elementi di controllo.

In altre parole, il sistema di vincoli indicato dagli insegnamenti della presente invenzione è idoneo a supportare l’esecuzione di una funzione di controllo progettata per generare i comandi di controllo per gli attuatori lineari, in grado di sottostare a tolleranze di errore molto piccole, ed in linea anche con i requisiti particolarmente stringenti quali sono quelli posti dalle applicazioni di puntamento per comunicazioni ottiche che coinvolgono piattaforme nano-satellitari.

La scelta di un elemento passivo di attenuazione e smorzamento, caratterizzato da una certa rigidezza “k” e da un certo fattore dissipativo “c", non soggetti a controllo attivo, è dettata da considerazioni di semplicità, e per questo motivo è da considerarsi una scelta implementai iva preferita. Tuttavia, il principio della presente invenzione risiede nel concetto di manovrare l’orientamento della piattaforma mobile 210 mediante il controllo della lunghezza di due o più gambe estensibili che, oltre all’elemento attuatore, comprendano anche un elemento di attenuazione e smorzamento idoneo a filtrare alcune sollecitazioni meccaniche. Pertanto tale principio inventivo può essere implementato anche secondo una variante che, pur introducendo una maggiore complessità, prevede un elemento di attenuazione e smorzamento anch’esso attivo: ad esempio un elemento in cui sia consentito il controllo del coefficiente “k", oppure mediante l’inserimento di un filtro meccanico di maggiore complessità e ordine in cui possono risultare controllabili una pluralità di coefficienti.

Pertanto, tutte le varianti implementative che fanno ricorso ad elementi di attenuazione e smorzamento di diversa complessità ed ordine, ed eventualmente anche non passivi, nel senso che è consentito il controllo di uno o più coefficienti di elasticità o di smorzamento dissipativo, sono da considerarsi tutte varianti della medesima invenzione.

Come già detto in precedenza, il numero di gambe estensibili con cui è possibile realizzare la presente invenzione è variabile e, sebbene il caso con due sole gambe sia da considerarsi preferito perché è quello che risulta più semplice e compatto, anche i casi con tre gambe sono da considerarsi implementazioni della presente invenzione, così come casi con un numero maggiore di gambe.

Da un punto di vista funzionale, la presenza di tre gambe estensibili offre l’opportunità di avere tre parametri di controllo, e quindi permette teoricamente di controllare tre gradi di libertà.

E’ chiaro che le applicazioni di puntamento (e di stabilizzazione dello stesso) richiedono normalmente il controllo di due soli gradi di libertà, non essendo in genere richiesto un controllo meccanico della polarizzazione di segnali ottici; tuttavia in alcuni casi può esservi anche una ragione funzionale nell’optare per implementazioni a tre gambe: ad esempio offrire un sistema di vincoli che consente di gestire con maggiore flessibilità i requisiti di robustezza. Il controllo del terzo grado di libertà consente inoltre di far compiere al sistema di puntamento movimenti con un numero maggiore di possibili traiettorie, tra le quali può essere selezionata quella che minimizza, ad esempio, l’estensione delle gambe o la velocità di estensione o la potenza consumata .

Come già detto, il sistema indicato nella presente invenzione può supportare puntamenti con ampiezze dell’ordine della decina di gradi: si tratta di un “range" sufficiente già per molte applicazioni, ma in alcuni casi applicativi potrebbe essere importante aumentare, anche di pochi gradi, tale dinamica per soddisfare potenziali requisiti applicativi.

In molti casi, soprattutto in piattaforme satellitari che devono supportare anche altre applicazioni, può essere richiesta un’ampiezza di puntamento maggiore di quella consentita dalla mobilità del sistema mobile 200 e, quando non fosse possibile compensare la ridotta ampiezza di puntamento ricorrendo ad una variazione di orientamento dell’intero satellite, è necessario provvedere ad aumentare l’ampiezza del “range" di puntamento ricorrendo ad accorgimenti alternativi.

Ovviamente, ricorrendo a sistemi di stabilizzazione più ingombranti, con gambe più lunghe e con un elemento di fissaggio 111 più sporgente, si può aumentare l’ampiezza del “range” di puntamento: tuttavia è meglio non seguire tale strada, non solo perché comporta l’aumento dell’ingombro (conseguenza che è sostanzialmente inevitabile), ma anche perché complica la modularità e standardizzabilità del sistema in quanto dovrebbero essere previsti moduli diversi a seconda delle dinamiche di puntamento richieste. Ed inoltre risulterebbe più difficile la scelta degli attuatori, in quanto, in genere, l’aumento del “range" operativo comporta una riduzione della rapidità di risposta.

Esiste allora un’altra soluzione che può essere vista come una variante di montaggio del sistema secondo gli insegnamenti della presente invenzione, e che prevede che tale sistema non sia vincolato direttamente sulla piattaforma satellitare 100 o comunque su un elemento rigidamente solidale ad essa, bensì prevede che sia vincolato ad una piattaforma intermedia alla quale, a sua volta, sono consentiti dei movimenti rispetto al sistema di riferimento 101 solidale alla piattaforma satellitare 100.

In Figura 3 è rappresentata tale ulteriore variante di montaggio del sistema di stabilizzazione e puntamento secondo l’invenzione.

Nella parte superiore della figura è rappresentata l’elemento di supporto mobile 210, stabilizzato come nell’esempio rappresentato in Figura 2. In Figura 3, però, l’elemento di fissaggio 111 non è solidale alla piattaforma nano-satellitare 100, ma si può muovere rispetto ad essa e quindi rispetto al sistema di riferimento 101. In Figura 3, l’elemento di fissaggio 111 assume poi una forma più estesa, in quanto offre i punti di aggancio anche per le gambe estensibili, che nel caso di Figura 2 sono invece vincolate alla piattaforma nano-satellitare 100. Pertanto, in Figura 3, con il numero 314 (diversamente da Figura 2) è indicato lo snodo rotante con cui la gamba 310 è vincolata all’elemento di fissaggio 111 (che in questo caso diventa una piattaforma intermedia) e con il numero 324 è analogamente indicato lo snodo rotante con cui è vincolata l’altra gamba estensibile 320, sempre al medesimo elemento di fissaggio 111.

Con il numero 110 è infine indicato un ulteriore giunto rotante con cui detto elemento di fissaggio 11 1 è collegato alla piattaforma satellitare 100 (quindi non risultando più solidale a quest’ ultima). Il giunto rotante 110 è controllabile con una generica forma di attuatore; il controllo su detto giunto 110, tuttavia, non è pensato per compensare con precisione l’instabilità della piattaforma nano-satellitare 100, e pertanto l’elemento di fissaggio 111 risulterà anch’esso essere una piattaforma intermedia instabile, sicché l’elemento di supporto mobile 210 necessita, anche nella configurazione di montaggio rappresentata in Figura 3, di una stabilizzazione e di un controllo di puntamento come nel caso rappresentato in Figura 2.

La funzione principale del giunto rotante 110 è pertanto quella di aumentare l’ampiezza di puntamento.

Ricorrendo alla configurazione di Figura 3 è immediato apprezzare come il medesimo modulo meccanico realizzato per offrire un elemento di supporto mobile 210 stabilizzato e orientabile in modo controllato, possa essere impiegato in sistemi ove sia richiesta un maggiore ampiezza di puntamento; ed il tutto può essere adattato solamente aggiungendo un ulteriore giunto controllato.

E’ importante precisare che non sono richiesti specifici requisiti ai mezzi di attuazione con cui viene controllato detto giunto 110. In teoria, poi, non è nemmeno richiesto che l’elemento di fissaggio 111 sia vincolato mediante un vincolo rotante 110, o solamente mediante un vincolo rotante 110; infatti la funzione di aumentare il “range" angolare del puntamento può essere conseguita con qualunque tipo di vincolo che permetta all’elemento di fissaggio 111 di compiere alcuni movimenti di rotazione con due gradi di libertà rispetto al sistema di riferimento 101 solidale alla piattaforma satellitare 100.

L'invenzione appena descritta si può prestare inoltre a numerose ulteriori varianti che possono offrire vantaggi aggiuntivi rispetto a quelli precedentemente citati. E tali ulteriori varianti possono essere apportate dall’uomo esperto del ramo senza per questo fuoriuscire dall’invenzione quale essa risulta dalla presente descrizione e dalle rivendicazioni qui allegate.

Pertanto può essere modificata la posizione di alcuni elementi descritti, ad esempio può essere invertito l’ordine con cui sono disposti gli elementi attivi e passivi nelle gambe estensibili.

L’accuratezza e l’efficienza del controllo di orientamento del sistema 200 possono poi essere migliorati e resi più efficienti mediante un’ottimizzazione di tipo geometrico, ad esempio modificando l’inclinazione delle gambe estensibili. Tali processi di ottimizzazione geometrica sono anche funzionali a rendere più compatto e più solido il sistema complessivo, e le soluzioni a cui si perverrà devono essere tutte considerate varianti applicative dei medesimi principi inventivi insegnati nella presente invenzione.

Inoltre ciascun elemento può essere sviluppato in diversi materiali, forma o dimensione; così come l’invenzione stessa può essere realizzata in modo parziale e molti dettagli descritti sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti.

Infine, l'invenzione descritta si presta ad incorporare ed a supportare ulteriori tecniche volte a migliorare ancor più le prestazioni della piattaforma stabilizzata descritta. In particolare sono attesi sviluppi significativi nella realizzazione dell’elemento passivo 313 accoppiato alle gambe estensibili. Inoltre, anche gli attuatori lineari 312 sono suscettibili di progresso tecnologico, per cui potrebbero essere a breve disponibili attuatori lineari più leggeri, più precisi o più velocemente controllabili, e quindi utilizzabili per implementare nuovi e più efficaci accorgimenti per il controllo di stabilizzazione.

Particolarmente interessante potrebbe risultare un motore di attuazione in cui i parametri di dissipazione e di rigidezza/elasticità fossero implementati nella struttura del motore stesso. I motori reali, ovviamente, comprendono sempre tali parametri, non esistendo materiali assolutamente indeformabili e moti non interessati da attriti, tuttavia non vi sono tecnologie sufficientemente mature che permettono di progettare motori in cui la determinazione di tali parametri possa essere adeguatamente gestita con la necessaria libertà come una variabile di progetto. Qualora tuttavia si affermassero tecniche di progettazione e materiali che consentissero di realizzare motori nei quali fossero controllabili, oltre agli altri parametri prestazionali, anche i coefficienti equivalenti di rigidità e di dissipazione, la presente invenzione potrebbe essere evidentemente implementata mediante la realizzazione di gambe estensibili in cui tutte le componenti sono integrate in un unico elemento.

E’ chiaro che molti accorgimenti migliorativi potranno quindi essere concepiti in funzione anche dell’evoluzione delle tecnologie che interessano l'implementazione della presente invenzione. Tali accorgimenti, qualora non risultassero compresi nella presente descrizione, potranno allora essere descritti in ulteriori domande di brevetto associabili a questa invenzione.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1 . Sistema di puntamento stabilizzato che comprende un elemento di supporto mobile (210) vincolato con almeno tre elementi di vincolo ad una piattaforma instabile, e detti elementi di vincolo sono caratterizzati dal fatto che: a. un elemento di vincolo è uno snodo (211) che consente la sola rotazione con due o tre gradi di libertà; b. gli altri almeno due elementi di vincolo sono costituiti da gambe estensibili di lunghezza controllabile mediante un elemento attuatore, e dette gambe estensibili sono ciascuna a loro volta vincolate a detto elemento di supporto mobile (210) da una loro estremità e a detta piattaforma instabile dall’altra estremità; c. i vincoli di dette almeno due gambe estensibili con detto elemento di supporto mobile (210) e con detta piattaforma instabile sono costituiti da snodi che consentono la sola rotazione con almeno due gradi di libertà.
2. 2. Sistema di puntamento stabilizzato secondo la rivendicazione 1 in cui dette gambe estensibili sono solo due.
3. 3. Sistema di puntamento stabilizzato secondo la rivendicazione 1 in cui almeno una gamba estensibile comprende anche uno o più elementi di smorzamento e di attenuazione dell’estensione o della compressione di detta gamba estensibile.
4. 4. Sistema di puntamento stabilizzato secondo la rivendicazione 1 in cui almeno una gamba estensibile è vincolata in almeno una delle sue due estremità mediante un vincolo rotante libero a tre gradi di libertà.
5. 5. Sistema di puntamento stabilizzato secondo la rivendicazione 1 in cui almeno una gamba estensibile è vincolata ad entrambe le sue due estremità mediante un vincolo rotante a soli due gradi di libertà, e presenta una sua parte libera di ruotare attorno l’asse di estensione rispetto ad un’altra sua parte.
6. 6. Sistema di puntamento stabilizzato secondo la rivendicazione 3 in cui detti uno o più elementi di smorzamento ed attenuazione dell’estensione o della compressione sono elementi passivi caratterizzati da una rigidezza “k" non controllabile, ed un fattore dissipativo “c" non controllabile.
7. 7. Sistema di puntamento stabilizzato secondo una delle rivendicazioni dalla 1 alla 6, in cui detta piattaforma instabile a cui è vincolato detto elemento di supporto mobile (210) è una piattaforma satellitare (100).
8. 8. Sistema di puntamento stabilizzato secondo una delle rivendicazioni dalla 1 alla 6, in cui detta piattaforma instabile a cui è vincolato detto elemento di supporto mobile (210) è a sua volta vincolata ad una piattaforma satellitare (100), con un sistema di vincoli che permette movimenti di rotazione con almeno due gradi di libertà.