Introduction to Design and Optimization of HVAC System of Spacecraft

From  Manned spacecraft and  space  shuttle to the  scale of space  station, the  technology of manned spacecraft has been  developing. The astronauts have  to work  and  live in the cabin for  much  longer  time.  Therefore, the  spacecraft environmental control  and  life support systems is not  only  asked  to  control  the  cabin  environment parameters within a certain range,  but  also to ensure the cabin environment with  high  thermal comfort  which  can meet the  physical  and  psychological  needs  of  astronauts,  also  improve  the  efficiency  of equipments, structural components in the manned space System. The ventilation, air conditioning  problems  and  the  air  flow  arrangement  of  the  cabin  directly  affect  the environmental parameters controlling and  the  thermal comfort of the  cabin  environment. So,  it  has  an  important  significance  to  research  the  ventilation,  air  quality,  thermal environment and  comfort  of the astronauts in the cabin under the microgravity condition. There  is 10 -3 ~ 10 -6 -g0  level of micro-gravity (g0=9.8 m2  /s) inside  the cabin of spacecraft or the  space  station. At  this  point,  the  phenomena which  are  common with  ground gravity such  as  natural  convection,  static  pressure  differential …

Boomi Nathan

Introduction to Modularity and Reliability in Low Cost AOCSs

The  use  of off the  shelf  electronic components is now  common in university and  low  cost satellites. The advantage against space qualified parts  consists  in a significant cost reduction, a wider range  of components selection,  better  second sourcing capabilities and an effective reuse of existing  technologies, devices,  circuits and systems from other engineering domains. Commercial  Off  The  Shelf  Components  (COTS)  are  sometimes  subject  to  reliability requirements which  are often  tougher than  those  applied to space  devices,  as they  have  to be used in markets (e.g., automotive) where safety concerns and the huge number of systems manufactured set demanding constraints on the components. Yet, the drawbacks of COTS components and other low cost design methods, mostly in space missions, remain the higher sensitivity to radiation-induced effects and the reduced system  level tolerance to faults. Compensation of these weak points is possible with the development of appropriate design techniques and  their  proper application throughout the lifecycle of the system,  from system level design down to manufacturing. The use of COTS components has thus enormous capabilities and benefits  in, but not limited to, small satellite  missions. Low cost spacecraft design not only refers to COTS devices  but to several  other  aspect  of the design of a spacecraft. A low-cost  approach to spacecraft design will  have  a huge  impact on the  development of space  technology in the  future, provided that  system-level approaches are  applied to the design in order to contemporarily reduce cost and  increase reliability. This  chapter will  analyze several  aspects in  the  low  cost  and  high  reliability design of a specific  spacecraft  subsystem,  namely  an  Attitude  and  Orbit  Control  System  (AOCS), developed at  Politecnico di  Torino  as  part  of the  AraMiS  modular architecture for  small satellites. We will show  how an appropriate mixture of innovative techniques can produce a high reliability and  high performance, low cost AOCS. The  topics  will  be  covered  at  both  system  and  subsystem  level,  with  references  to commercially  available  devices   (sensors,  actuators,  drivers  and   microcontrollers)  and following the object-oriented modeling used for both system management, subsystem development and programming. This chapter will therefore present several  technical solutions (at different design levels) which the  authors have  developed and  applied to the  development of the  AraMiS  built-in AOCS…

Boomi Nathan

Introduction to Spacecraft Relative Orbital Motion

The  relative  orbital  motion problem may  now  be  considered classic,  because  of so many scientific   papers written on  this  subject  in  the  last  few  decades.   This  problem is  also quite  important, due  to its numerous applications: spacecraft formation flying,  rendezvous operations, distributed spacecraft missions. The model  of the  relative  motion consists  in two  spacecraft flying  in Keplerian orbits  due to the  influence of the  same  gravitational attraction center  (see Fig.  1).  The main  problem is to determine the  position and  velocity  vectors  of the  Deputy satellite  with  respect  to a reference frame  originated in the Leader  satellite  center  of mass.  This non-inertial reference frame,  traditionally named LVLH (Local-Vertical-Local-Horizontal) is chosen  as follows:  the Cx axis has the same orientation as the position vector of the Leader  with respect  to an inertial reference frame originated in the attraction center; the Cz axis has the same orientation as the Leader  orbit angular momentum; the Cy axis completes a right-handed frame. Consider ω  = ω(t)  the  angular velocity  of the  LVLH  reference frame  with  respect  to an inertial frame  originated in the attraction center.   By denoting rc the Leader  position vector with  respect  to an inertial frame  originated in O (the attraction center),   fc   = fc (t)  the  true anomaly, ec the eccentricity and  pc the semilatus rectum of the Leader  orbit,  it follows  that vector ω has the expression: where μ > 0 is the gravitational parameter of the attraction center  and  Δr; Δv represent the relative  position and  relative  velocity  vectors  of the Deputy spacecraft with  respect  to LVLH at the initial moment of time t0  ≥ 0. The  analysis of relative  motion began  in  the  early  1960s with  the  paper of Clohessy and Wiltshire (Clohessy & Wiltshire (1960)), who  obtained the equations that  model  the relative motion in the situation in which the chief spacecraft has a circular orbit and the attraction force is not  affected  by the Earth  oblateness.  They  linearized the nonlinear initial  value  problem that  models the  relative   motion by  assuming that  the  relative   distance between the  two…

Boomi Nathan

Introduction to Physics-Based Control Methods

Spacecraft control  suffers  from inter-axis coupling regardless of control  methodology due  to the  physics  that  dominate  their  motion.  Feedback  control  is  used  to  robustly  reject disturbances, but  is complicated by  this  coupling. Other  sources of disturbances include zero-virtual references associated with  cascaded control  loop  topology, back-emf  associate with  inner  loop  electronics,  poorly  modeled  or  un-modeled  dynamics,  and  external disturbances (e.g.  magnetic, aerodynamic,  etc.).  As  pointing requirements have  become more  stringent to accomplish missions in space,  decoupling dynamic disturbance torques is an   attractive  solution  provided  by   the   physics-based  control   design  methodology. Promising approaches include elimination of  virtual-zero references, manipulated input decoupling, which   can  be  augmented with   disturbance input  decoupling supported  by sensor  replacement. This chapter introduces these methods of physics-based control.  Physics based  control  is a method that seeks to significantly incorporate the dominant physics of the problem to be controlled into the control design. Some components of the methods include elimination of zero-virtual reference, observers for sensor replacements, manipulated input decoupling, and  disturbance-input estimation and  decoupling. In addition, it will be shown that  cross-axis  coupling  inherent  in  the  governing  dynamics  can  be  eliminated  by decoupling a  normal part   of  the  physics-based control.   Physics-based controls methods produce a  idealized feedforward …

Boomi Nathan

Introduction to Middle Atmosphere: Discharge Phenomena

The layer  between 10 and  100 km altitude in the Earth  atmosphere is generally categorized as the middle atmosphere (Brasseur & Solomon,  1986). The boosting development of rocket and  satellite  technologies during the past  50 years  has made  it possible to directly probe  the middle atmosphere (Brasseur & Solomon, 1986). Recently, transient luminous events (TLEs) open  up  another window; through observing the  discharge phenomena in  the  middle atmosphere from both the ground and  the space, the physical processes in this region  can be inferred. Besides the present satellite missions (ISUAL, Tatiana-2, SPRITE-SAT, Chibis-M mission), future orbit  missions include JEM-GLIMS,  ASIM,  TARANIS  will  soon  join  the efforts.  These space  missions provide the unique platforms to explore  the plasma chemistry and atmospheric electricity in the middle atmosphere, and also investigate the possible TLE impact on spacecrafts. Discharge phenomena in the middle atmosphere The  discharge phenomena in  the  middle atmosphere collectively carry  the  name  of  the transient luminous events (TLEs), owing to their fleeting nature (sub-milliseconds to tens of milliseconds) and high luminosity over the thunderstorms; see Fig. 1. The transient luminous events  were  accidentally observed in the  ground observation (Franz  et al., 1990) and  Earth orbit  observation (Boeck et al., 1992), and  were  soon  recognized as the  manifestations of the electric coupling between atmospheric lightning and  the middle atmosphere/ionosphere. The thunderstorm plays the role of an electric battery in the atmosphere-ionosphere system. The thunderstorms, ~3000 of them at any time on Earth, generate a total electric current of 1.5 kA flowing into  the  ionosphere, and  sustain the  electric  potential ~200 MV of the  ionosphere (Volland, 1987). With  the  thunderstorms, the  electric  energy gradually accumulates in  the middle atmosphere and  a part  of the deposited energy later is released as the luminous TLEs, in  a way  similar  to  the  capacitor discharge. However, how  the  light  emission and  electric…

Boomi Nathan

Surface Reflectance Characteristics and Snow Surface Variations from GNSS Reflected Signals

Nasser Najibi1, 2, 3 and Shuanggen Jin1  Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China  University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China  The City University of New York, The City College…

Boomi Nathan

Sea Level Changes Along Global Coasts from Satellite Altimetry, GPS and Tide Gauge

Guiping Feng1, 2 and Shuanggen Jin1  Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China  College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai, China Introduction The average global sea level was rising…

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High-order Ionospheric Effects on GPS Coordinate Time Series

Weiping Jiang1, Liansheng Deng2 and Zhao Li3  Research Centre of GNSS, Wuhan University, Wuhan, China  School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan, China  Faculté des Sciences, de la Technologie et…

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GPS-based Non-Gravitational Accelerations and Accelerometer Calibration

Andres Calabia1, 2 and Shuanggen Jin1  Shanghai Astronomcial Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China  University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China Introduction Within the process of deriving satellite accelerations from…

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