TOLLERANZE E DISALLINEAMENTI NEL DOCKING SATELLITARE: VALIDAZIONE SPERIMENTALE DEL SISTEMA MIDAS

The Rendezvous and Docking/Berthing (RVD/B) process constitutes a fundamental operational technology for the development of advanced space missions, enabling operations such as orbital assembly, refueling, crew exchange, and vehicle maintenance. The capture phase represents the most critical event of the entire mission. Upon contact, the mechanical interaction between the masses generates spatial rebound phenomena, forcing the mechanism to complete the capture before the interfaces escape the useful operational volume. Subsequently, the system must damp the residual relative motion and ensure a rigid structural lock. Due to the operational limits of navigation sensors, the vehicles reach contact with inevitable misalignment errors and residual velocities. Since it is impossible to reproduce and test the entire operational system in the real space environment prior to launch, studying the impact dynamics through mathematical models and physical simulators becomes imperative. The development of ground-based experimental tests—for instance, by employing air-bearing tables to replicate an ultra-low friction environment—is therefore crucial to validate the effectiveness of capture mechanisms and define the real misalignment tolerances of the system. It is precisely within this investigative framework on contact dynamics that the experimental characterization activity of the MIDAS mechanism is situated. In order to empirically quantify its capture envelope and analyze the actual reaction to momentum exchanges induced by initial misalignments, the test campaign utilizes a planar, ultra-low friction operational environment. The tests, conducted using the air-bearing table setup at the Space Systems Laboratory facilities of the University of Padua, reproduce the floating dynamics characteristic of orbit. The subsequent post-processing in the MATLAB environment of the kinematic data acquired during the impacts allows for the extraction of objective feedback on the system's tolerances, rigorously evaluating its real shock attenuation capabilities and reliability in the most critical phase of the rendezvous.

Il processo di Rendezvous e Docking/Berthing (RVD/B) costituisce una tecnologia operativa fondamentale per lo sviluppo di missioni spaziali avanzate, abilitando operazioni quali l’assemblaggio orbitale, il rifornimento, lo scambio di equipaggio e la manutenzione di veicoli. La fase di cattura rappresenta l’evento più critico dell’intera missione. Al momento del contatto, l’interazione meccanica tra le masse genera fenomeni di rimbalzo spaziale, costringendo il meccanismo a completare la cattura prima che le interfacce sfuggano dal volume operativo utile. Successivamente, il sistema deve smorzare il moto relativo residuo e garantire un bloccaggio strutturale rigido. A causa dei limiti operativi dei sensori di navigazione, i veicoli giungono al contatto con inevitabili errori di disallineamento e velocità residue. Poiché risulta impossibile riprodurre e testare l’intero sistema operativo nel reale ambiente spaziale prima del lancio, diventa imperativo lo studio della dinamica di impatto attraverso modelli matematici e simulatori fisici. Lo sviluppo di test sperimentali su terra — ad esempio mediante l’impiego di tavole a cuscino d’aria per riprodurre un ambiente a bassissimo attrito — risulta dunque cruciale per validare l’efficacia dei meccanismi di cattura e definire le reali tolleranze di disallineamento del sistema. È precisamente all’interno di questa cornice di indagine sulle dinamiche di contatto che si colloca l’attività sperimentale di caratterizzazione del meccanismo MIDAS. Al fine di quantificare empiricamente il suo inviluppo di cattura e analizzare l’effettiva reazione agli scambi di momento indotti dai disallineamenti iniziali, la campagna di test sfrutta un ambiente operativo planare a bassissimo attrito. Le prove, condotte sfruttando il setup su tavola ad aria (air-bearing table) presso le strutture dello Space Systems Laboratory dell’Università degli Studi di Padova, riproducono la dinamica fluttuante caratteristica dell’orbita. Il successivo post-processing in ambiente MATLAB dei dati cinematici acquisiti durante gli impatti permette di estrarre un riscontro oggettivo sulle tolleranze del sistema, valutandone in modo rigoroso le reali capacità di shock attenuation e l’affidabilità nella fase più critica del rendezvous.