Experimental Characterization of a CubeSat Simulator for Docking Tests

In recent years, the growing diffusion of micro and nanosatellites has made the development of compact and efficient docking mechanisms increasingly relevant. While the autonomous rendezvous and docking of large spacecraft has been successfully demonstrated in past missions, extending such capabilities to small satellites still represents an open challenge. In this context, the DOCKS project proposes an innovative probe–drogue docking interface with self-alignment capabilities. The validation of such systems requires ground-based facilities capable of reproducing, as closely as possible, the microgravity conditions of space. In this thesis, experiments were carried out on a low-friction table to characterize a 12U CubeSat mock-up developed to host the DOCKS mechanism as a payload. The mock-up, equipped with air bearings that allow it to float on the glass surface, is tracked by a high-precision motion capture system. On board, the system includes a pneumatic tank, solenoid valves, and nozzles for maneuvering control, together with the DOCKS docking mechanism mounted on its front interface. The work was organized into several phases: the description of the experimental facility and the actuation system, the development of a manual control interface via joystick, and the characterization of the mock-up’s inertial and dynamic properties. The main mass properties (mass, center of mass, and moments of inertia) were determined, the residual friction on the air-bearing plane was estimated, and step-response tests were conducted to assess the performance of the control system in both translation and rotation. The final part focused on defining the setup for docking tests and performing maneuvers with known misalignments, laying the groundwork for a broader experimental campaign. This will enable a systematic evaluation of the mechanism’s operating conditions and a deeper investigation of its performance in realistic scenarios. Overall, this work provided a detailed experimental characterization of the mock-up and produced a valuable dataset for future studies. The results form a solid basis for the ground validation of the DOCKS system and for extending testing to more complex docking scenarios.

Negli ultimi anni, la crescente diffusione di micro e nanosatelliti ha reso sempre più rilevante lo sviluppo di meccanismi di docking compatti ed efficienti. Se da un lato il rendezvous e il docking autonomo sono stati dimostrati con successo in passato per veicoli spaziali di grandi dimensioni, la trasposizione di tali capacità al dominio dei piccoli satelliti rappresenta ancora una sfida aperta. In questo contesto, il progetto DOCKS propone una soluzione innovativa basata su un’interfaccia probe–drogue con capacità di autoallineamento. La validazione di tali sistemi richiede strutture sperimentali a terra in grado di riprodurre, per quanto possibile, le condizioni di microgravità presenti nello spazio. In questa tesi sono stati condotti esperimenti su un tavolo a basso attrito per la caratterizzazione di un mock-up CubeSat in configurazione 12U, sviluppato per ospitare il meccanismo DOCKS come payload. Il mock-up, equipaggiato con pattini ad aria che gli consentono di fluttuare sulla superficie in vetro, è tracciato da un sistema di motion capture ad alta precisione. A bordo sono presenti un serbatoio pneumatico, un set di elettrovalvole e di ugelli per il controllo delle manovre, insieme al meccanismo di docking DOCKS montato sull’interfaccia frontale. Il lavoro è stato articolato in diverse fasi: la descrizione della facility sperimentale e del sistema di attuazione, lo sviluppo di un’interfaccia di controllo manuale tramite joystick e la caratterizzazione delle proprietà inerziali e dinamiche del mock-up. Sono state determinate le principali proprietà di massa (massa, centro di massa e momenti d’inerzia), stimato l’attrito residuo sul piano a pattini d’aria ed eseguiti test di risposta al gradino per valutare le prestazioni del sistema di controllo sia in traslazione che in rotazione. La parte finale ha riguardato la definizione del setup per i test di docking e l’esecuzione di manovre con disallineamenti noti, gettando le basi per una campagna sperimentale più ampia. Quest’ultima consentirà una valutazione sistematica delle condizioni operative del meccanismo e un’analisi più approfondita delle sue prestazioni in scenari realistici. Complessivamente, il lavoro ha permesso una caratterizzazione dettagliata del mock-up e la raccolta di dati sperimentali utili per studi futuri. I risultati forniscono una base solida per la validazione a terra del sistema DOCKS e per l’estensione dei test a scenari di docking più complessi.