Progetto finale di design (velivolo o CubeSat)

Un progetto completo dai requisiti alla revisione: scegli il percorso drone elettrico o CubeSat 3U, scrivi i requisiti, seleziona un concetto, dimensionalo, chiudi i budget di potenza, collegamento, strutturale e termico, pianifica costi, tempi e rischi, collauda e presenta a una revisione di progetto, con sei laboratori su foglio di calcolo. Gratuito, al tuo ritmo e collegato al CubeSat Launch Initiative della NASA, ai CubeSat PREFIRE e al Sustainable Flight National Partnership della NASA.

NASA (ISS066-E-080762, Nov. 8, 2021)NASA/Kim Shiflett (KSC-20210927-PH-KLS04_0013, Sept. 27, 2021)NASA/Liz Wilk (KSC-20221109-PH-LNW01_0001)NASA/Michael DeMocker (MAF20210116_GR0006)

Corsi › AERO 490

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Informazioni sul corso

Questo è lo schema di un corso gratuito di autoapprendimento scritto da Saving Planets. Non è un corso universitario, non dà crediti accademici e nessuna scuola è coinvolta.

Il suo ambito segue un progetto finale aerospaziale semestrale dell’ultimo anno. È modellato sull’approccio concepire-progettare-realizzare-operare di MIT 16.83X Space Systems Engineering (gratuito su MIT OpenCourseWare) e sul NASA Systems Engineering Handbook, che citiamo dove utili. Né il MIT né la NASA approvano questa pagina.

Cosa aggiungiamo: due percorsi paralleli (un piccolo drone elettrico o un CubeSat 3U), ogni unità collegata a un lavoro reale con una fonte pubblica citata, ogni numero della pagina ricalcolato da uno script di controllo prima della pubblicazione e ogni laboratorio in un foglio di calcolo gratuito.

Seguilo in ordine, da solo o in squadra. Ogni unità ha obiettivi, idee chiave, equazioni, esempi passo passo, esercizi con risposte complete, errori comuni, flashcard e un quiz. I tuoi progressi sono salvati solo in questo browser.

Come questo corso aiuta a salvare il pianeta

I team dei progetti finali costruiscono i satelliti e i velivoli che misurano e proteggono il pianeta: i CubeSat studenteschi volano grazie al CubeSat Launch Initiative della NASA, e piccoli satelliti come PREFIRE studiano come l’Artico disperde calore.

Sul fronte velivoli, il Sustainable Flight National Partnership della NASA punta a guadagni di efficienza energetica del 25–30%. Ogni unità termina con una breve sezione con fonti. I valori che non provengono da una fonte sono indicati come valori di esempio o da manuale.

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Prima di iniziare

Prerequisiti

  • Avionica e ingegneria dei sistemi: requisiti, affidabilità e verifica.
  • Progettazione di veicoli spaziali: budget di potenza, termico e di collegamento.
  • Prestazioni dei velivoli: portanza, resistenza, autonomia e salita.
  • Strutture aerospaziali: sollecitazioni, coefficienti di sicurezza e margini.

Come studiare

  • Tieni un unico quaderno di progetto o foglio di calcolo da cui derivano tutti i numeri.
  • Collega ogni scelta di progetto a un requisito.
  • Chiudi i budget con margine prima di aggiungere dettagli.
  • Fai brevi revisioni settimanali, anche lavorando da solo.
  • Scrivi man mano: ogni unità aggiunge una sezione alla tua relazione finale.
  • Fai ogni esercizio su carta prima di aprire la risposta e ripeti i quiz qualche giorno dopo.

Attrezzatura di laboratorio (per i laboratori reali)

  • Un foglio di calcolo (va bene qualsiasi gratuito), oppure Python.
  • Il NASA Systems Engineering Handbook gratuito in un browser web.
  • Software di presentazione gratuito per le tue revisioni di progetto.
  • Una calcolatrice.

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Programma suggerito di 15 settimane

Circa 6-9 ore a settimana: lettura, esercizi e, nelle settimane di laboratorio, il laboratorio.

SettimanaUnitàArgomentiLettura
1Missione, stakeholder e requisitiMissione e requisiti; Laboratorio ANASA SE Handbook
2Generazione e selezione dei concettiSelezione del concetto; Laboratorio BMIT 16.83X
3Percorso velivolo: dimensionamento dei pesi e autonomiaDimensionamento dei pesi del velivoloNASA SFNP
4Percorso velivolo: dimensionamento dei pesi e autonomiaAutonomia e ciclo di dimensionamento; Laboratorio CMIT 16.83X
5Percorso velivolo: carico alare e potenzaCarico alare e potenzaNASA SFNP
6Percorso CubeSat: dimensionamento e orbitaDimensionamento e orbita del CubeSat; Laboratorio DNASA PREFIRE
7Percorso CubeSat: budget di potenza e di collegamentoBudget di potenza e di collegamento; Laboratorio E; esercitazione per il parzialeNASA SST SOA
8Verifiche strutturali e termicheVerifiche strutturali e termicheMIT 16.83X
9Costi, tempi e rischiWBS e cronoprogrammaNASA SE Handbook
10Costi, tempi e rischiValore acquisito e rischi; Laboratorio FNASA SE Handbook
11Prototipo, prove e verificaPianificazione del prototipoMIT 16.83X
12Prototipo, prove e verificaProveNASA CSLI
13Prototipo, prove e verificaChiusura della verificaNASA SE Handbook
14Revisioni di progetto e relazione finaleRevisione critica di progettoMIT 16.83X
15Revisioni di progetto e relazione finaleRelazione finale; esercitazione finaleNASA SE Handbook

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I tuoi progressi

Spunta unità e laboratori man mano che li finisci, e fai i quiz. Progressi e punteggi sono salvati solo in questo browser e non ci vengono mai inviati.

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Unità 1 · Settimana 1

Missione, stakeholder e requisiti

Scegliere un percorso, definire la missione, identificare gli stakeholder, scrivere requisiti verificabili e fissare allocazioni con margine.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Scrivere una dichiarazione di missione in una frase.
  • Elencare gli stakeholder e le loro esigenze.
  • Scrivere requisiti verificabili.
  • Calcolare il margine rispetto a un’allocazione.

Concetti chiave

  • Scegli un percorso: un piccolo drone elettrico che trasporta un sensore, o un CubeSat 3U che osserva la Terra.
  • Una dichiarazione di missione dice chi ha bisogno di cosa e perché; i requisiti la rendono misurabile.
  • Gli stakeholder includono utenti, finanziatori, autorità di lancio o dello spazio aereo e il team stesso.
  • Ogni requisito ha un numero, un’unità e un metodo di verifica (prova, analisi, ispezione o dimostrazione).
  • Le allocazioni includono margine fin dall’inizio, perché le stime crescono man mano che il progetto matura.

Equazioni chiave

Margin=A−EE\text{Margin}=\frac{A-E}{E}
Margine dell’allocazione sulla stima
malloc=mest(1+M)m_{alloc}=m_{est}(1+M)
Allocazione con margine
m3U≈3×1.33 kgm_{3U}\approx3\times1.33\ \text{kg}
Massa ammessa per un 3U (valore da manuale)
∑wi=1\sum w_i=1
I pesi sommano a uno

Esempi svolti passo passo

Esempio 1.1 Un CubeSat 3U ha un’allocazione di 4.0 kg (valore da manuale) e una stima di 3.4 kg. Margine?

Mostra i passaggi
  1. (4.0 − 3.4)/3.4.

Risposta: 17.6%.

Esempio 1.2 Il sensore di un drone è stimato in 0.8 kg. Alloca con un margine del 25% (valori di esempio).

Mostra i passaggi
  1. 0.8 × 1.25.

Risposta: 1.0 kg.

Esempio 1.3 Scrivi un requisito verificabile di autonomia per il drone.

Mostra i passaggi
  1. Numero, unità, metodo.

Risposta: «Il drone deve volare almeno 30 minuti a 15 m/s, verificato mediante prova in volo.»

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Margine se la stima sale a 3.8 kg?

    Mostra la risposta

    5.26%.

  2. Tre unità da 1.33 kg (valore da manuale)?

    Mostra la risposta

    3.99 kg, circa 4 kg.

  3. Indica quattro stakeholder di un CubeSat studentesco.

    Mostra la risposta

    Per esempio: gli utenti scientifici, l’università, il fornitore del lancio e l’ente regolatore radio.

  4. «Il CubeSat deve essere affidabile» è verificabile?

    Mostra la risposta

    No; aggiungi un numero e un metodo.

Errori concettuali comuni

  • Mito: I requisiti descrivono il progetto.

    In realtà: Esprimono esigenze, non soluzioni.

  • Mito: Il margine si può aggiungere dopo.

    In realtà: Conviene mantenerlo fin dall’inizio.

  • Mito: Basta un solo stakeholder.

    In realtà: Stakeholder dimenticati causano sorprese tardive.

Flashcard

  • Dichiarazione di missione

    Chi ha bisogno di cosa e perché.

  • Stakeholder

    Chiunque abbia un’esigenza o voce in capitolo.

  • Requisito

    Esigenza verificabile.

  • Allocazione

    Quota a budget.

  • Margine

    Riserva oltre la stima.

  • Percorso

    Percorso di progetto drone o CubeSat.

Quiz di autoverifica

1. Margine di massa…

Mostra la risposta

17.6%. (4.0 − 3.4)/3.4.

2. 0.8 kg + 25%…

Mostra la risposta

1.0 kg. Moltiplica.

3. Metodi di verifica…

Mostra la risposta

prova, analisi, ispezione, dimostrazione. Quattro metodi.

4. La dichiarazione di missione dice…

Mostra la risposta

chi ha bisogno di cosa e perché. Scopo.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

Il CubeSat Launch Initiative della NASA offre ai CubeSat costruiti da istituzioni educative e organizzazioni senza scopo di lucro statunitensi, inclusi musei e centri scientifici, l’opportunità di volare su lanci futuri; la NASA afferma di aver lanciato oltre 150 CubeSat.

La NASA afferma che il suo bando di opportunità di partenariato viene di solito pubblicato ogni agosto con proposte da presentare a novembre, quindi un progetto finale può essere strutturato come una vera proposta.

Su Saving Planets: Progettazione di veicoli spaziali · Avionica e ingegneria dei sistemi

Fonti: NASA: CubeSat Launch Initiative

Risorse di apprendimento gratuite

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Unità 2 · Settimana 2

Generazione e selezione dei concetti

Brainstorming, tavole morfologiche, matrici di Pugh, matrici decisionali pesate e sensibilità ai pesi.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Generare diversi concetti.
  • Costruire una tavola morfologica.
  • Valutare i concetti in una matrice pesata.
  • Verificare la sensibilità ai pesi.

Concetti chiave

  • Genera molti concetti prima di giudicarne qualcuno; prima la quantità, poi la qualità.
  • Una tavola morfologica elenca le opzioni per ogni funzione e le combina in concetti.
  • Una matrice di Pugh confronta i concetti con un riferimento usando +, 0 e −.
  • Una matrice decisionale pesata moltiplica i punteggi per i pesi e li somma.
  • Se piccole variazioni dei pesi cambiano il vincitore, la decisione richiede più dati.

Equazioni chiave

S=∑wisiS=\sum w_is_i
Punteggio pesato
N=∏niN=\prod n_i
Combinazioni morfologiche
P=n+−n−P=n_+-n_-
Punteggio netto di Pugh
∑wi=1\sum w_i=1
Pesi normalizzati

Esempi svolti passo passo

Esempio 2.1 Il concetto A ottiene 6 (costo), 9 (prestazioni), 5 (rischio); B ottiene 8, 6, 8. Pesi 0.3, 0.5, 0.2. Vincitore?

Mostra i passaggi
  1. A = 1.8 + 4.5 + 1.0 = 7.3.
  2. B = 2.4 + 3.0 + 1.6 = 7.0.

Risposta: A, 7.3 contro 7.0.

Esempio 2.2 Cambia i pesi in 0.4, 0.3, 0.3.

Mostra i passaggi
  1. A = 2.4 + 2.7 + 1.5 = 6.6.
  2. B = 3.2 + 1.8 + 2.4 = 7.4.

Risposta: Vince B: la scelta è sensibile ai pesi.

Esempio 2.3 Una tavola ha 3 opzioni di alimentazione, 2 strutture e 4 sensori. Combinazioni?

Mostra i passaggi
  1. 3 × 2 × 4.

Risposta: 24.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Pugh: 4 più, 1 meno. Netto?

    Mostra la risposta

    +3.

  2. Combinazioni per 2 × 3 × 3 × 2?

    Mostra la risposta

    36.

  3. Perché verificare la sensibilità ai pesi?

    Mostra la risposta

    Per vedere se il vincitore è robusto.

  4. Perché fare brainstorming prima di assegnare punteggi?

    Mostra la risposta

    Giudicare presto uccide le buone idee.

Errori concettuali comuni

  • Mito: Il punteggio più alto ha sempre ragione.

    In realtà: Verifica sensibilità e ipotesi.

  • Mito: I pesi sono oggettivi.

    In realtà: Codificano un giudizio.

  • Mito: Un solo concetto basta.

    In realtà: Confrontane diversi.

Flashcard

  • Tavola morfologica

    Opzioni per funzione.

  • Matrice di Pugh

    Confronto con un riferimento.

  • Riferimento

    Concetto di riferimento.

  • Matrice pesata

    Punteggi per pesi.

  • Sensibilità

    Come cambiano i risultati con gli ingressi.

  • Selezione

    Scelta di un concetto.

Quiz di autoverifica

1. Punteggio di A…

Mostra la risposta

7.3. Somma pesata.

2. Punteggio di B…

Mostra la risposta

7.0. Somma pesata.

3. Dopo la nuova pesatura…

Mostra la risposta

vince B. 7.4 > 6.6.

4. Combinazioni…

Mostra la risposta

24. 3 × 2 × 4.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

Il Sustainable Flight National Partnership della NASA lavora in tre aree: tecnologie avanzate dei velivoli, operazioni efficienti delle compagnie aeree e carburanti sostenibili per l’aviazione.

Soppesare opzioni tra aree come queste è un problema di selezione del concetto: i pesi giusti dipendono da ciò che gli stakeholder considerano importante, emissioni comprese.

Su Saving Planets: Soluzioni · Prestazioni dei velivoli

Fonti: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

Risorse di apprendimento gratuite

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Unità 3 · Settimane 3–4

Percorso velivolo: dimensionamento dei pesi e autonomia

Stima del peso al decollo dalle frazioni di peso, equazione dell’autonomia di Breguet e come i guadagni di efficienza cambiano autonomia e carburante.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Stimare il peso al decollo dalle frazioni.
  • Applicare l’equazione di Breguet.
  • Mostrare come L/D cambia l’autonomia.
  • Iterare un ciclo di dimensionamento.

Concetti chiave

  • Il peso al decollo è il carico utile diviso per uno meno le frazioni a vuoto e di energia.
  • Se le frazioni a vuoto e di energia si avvicinano a 1, il progetto non chiude.
  • Per gli aerei a getto, l’autonomia di Breguet è (V/c)(L/D) ln(W_i/W_f).
  • L’autonomia è proporzionale a L/D, quindi un guadagno del 30% su L/D dà il 30% di autonomia in più a parità di frazione di carburante.
  • Il dimensionamento è iterativo: stimare, calcolare, aggiornare le frazioni, ripetere finché il peso converge.

Equazioni chiave

W0=Wpay1−We/W0−Wf/W0W_0=\frac{W_{pay}}{1-W_e/W_0-W_f/W_0}
Peso al decollo
R=VcLDln⁡WiWfR=\frac{V}{c}\frac{L}{D}\ln\frac{W_i}{W_f}
Autonomia di Breguet (jet)
R∝L/DR\propto L/D
L’autonomia scala con L/D
W=mgW=mg
Peso

Esempi svolti passo passo

Esempio 3.1 Un drone trasporta 1 kg di carico utile con frazione a vuoto 0.5 e frazione batteria 0.3 (valori di esempio). Massa al decollo?

Mostra i passaggi
  1. 1/(1 − 0.5 − 0.3).

Risposta: 5 kg.

Esempio 3.2 Un aereo da trasporto vola a 230 m/s con c = 0.6 all’ora, L/D = 17 e W_i/W_f = 1.25 (valori da manuale). Autonomia?

Mostra i passaggi
  1. c = 1.667 × 10⁻⁴ s⁻¹.
  2. R = (230/1.667 × 10⁻⁴) × 17 × ln 1.25 = 1.38 × 10⁶ × 17 × 0.2231.

Risposta: Circa 5235 km.

Esempio 3.3 Aumenta L/D del 30%.

Mostra i passaggi
  1. L’autonomia scala con L/D.

Risposta: Circa 6805 km.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Massa al decollo se la frazione batteria sale a 0.35?

    Mostra la risposta

    6.67 kg.

  2. Peso del drone da 5 kg?

    Mostra la risposta

    49.0 N.

  3. Perché le frazioni non possono sommare a 1?

    Mostra la risposta

    Non resterebbe nulla per il carico utile.

  4. ln 1.25?

    Mostra la risposta

    0.223.

Errori concettuali comuni

  • Mito: Più batteria significa sempre più autonomia.

    In realtà: Aumenta anche il peso; conta la frazione.

  • Mito: Breguet vale per gli aerei elettrici.

    In realtà: Le batterie non si alleggeriscono; usa una forma energetica.

  • Mito: Un solo passaggio basta.

    In realtà: Iterare finché il peso converge.

Flashcard

  • Frazione a vuoto

    Peso a vuoto su peso al decollo.

  • Frazione di carburante

    Carburante sul peso al decollo.

  • Breguet

    Equazione dell’autonomia.

  • L/D

    Rapporto portanza/resistenza.

  • TSFC

    Consumo specifico di carburante per unità di spinta.

  • Ciclo di dimensionamento

    Iterare fino a convergenza.

Quiz di autoverifica

1. Massa al decollo del drone…

Mostra la risposta

5 kg. 1/0.2.

2. Autonomia dell’aereo da trasporto…

Mostra la risposta

≈ 5235 km. Breguet.

3. Con +30% di L/D…

Mostra la risposta

≈ 6805 km. × 1.3.

4. L’autonomia scala con…

Mostra la risposta

L/D. Breguet.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

La NASA afferma che il Sustainable Flight National Partnership mira a consentire miglioramenti di efficienza energetica del 25–30% negli aerei da trasporto di nuova generazione in grado di usare il 100% di carburante sostenibile per l’aviazione e volare su traiettorie ottimali.

Il suo fulcro è un dimostratore X-plane in scala reale che prova un progetto aerodinamico ultra-efficiente, con primo volo non prima della fine del 2026; un L/D più alto è proprio la leva che l’equazione di Breguet di questa unità premia.

Su Saving Planets: Prestazioni dei velivoli · Soluzioni

Fonti: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

Risorse di apprendimento gratuite

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Unità 4 · Settimana 5

Percorso velivolo: carico alare e potenza

Dimensionamento per vincoli: carico alare dalla velocità di stallo, superficie alare e potenza di salita per un piccolo velivolo elettrico.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Trovare il carico alare dalla velocità di stallo.
  • Dimensionare la superficie alare.
  • Calcolare la potenza di salita.
  • Disegnare un semplice diagramma dei vincoli.

Concetti chiave

  • La velocità di stallo fissa il carico alare massimo: W/S = ½ρV_s²C_Lmax.
  • La superficie alare deriva dal peso diviso il carico alare.
  • La potenza all’albero in salita copre la resistenza (W V/(L/D)) più il termine di salita (W × rateo di salita), divisi per il rendimento propulsivo.
  • Ogni requisito traccia una linea su un grafico W/S in funzione del rapporto potenza/peso; il punto di progetto sta nella regione che li soddisfa tutti.
  • I piccoli droni volano a bassi numeri di Reynolds, quindi controlla i dati dei profili a piccola scala.

Equazioni chiave

WS=12ρVs2CL,max\frac{W}{S}=\tfrac12\rho V_s^2C_{L,max}
Carico alare di stallo
S=WW/SS=\frac{W}{W/S}
Superficie alare
P=Wη(VL/D+RC)P=\frac{W}{\eta}\left(\frac{V}{L/D}+RC\right)
Potenza di salita
q=12ρV2q=\tfrac12\rho V^2
Pressione dinamica

Esempi svolti passo passo

Esempio 4.1 Stallo a 12 m/s, C_Lmax = 1.2, livello del mare. Carico alare?

Mostra i passaggi
  1. ½ × 1.225 × 144 × 1.2.

Risposta: 105.8 N/m².

Esempio 4.2 Superficie alare per il drone da 5 kg?

Mostra i passaggi
  1. 49.03/105.84.

Risposta: 0.463 m².

Esempio 4.3 Potenza di salita a 15 m/s, L/D = 10, salita a 2 m/s, η = 0.7?

Mostra i passaggi
  1. 49.03 × (1.5 + 2) = 171.6 W.
  2. 171.6/0.7.

Risposta: 245 W.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Carico alare per uno stallo a 10 m/s?

    Mostra la risposta

    73.5 N/m².

  2. Potenza senza il termine di salita?

    Mostra la risposta

    105.1 W.

  3. Pressione dinamica a 15 m/s?

    Mostra la risposta

    137.8 Pa.

  4. Perché lo stallo fissa un W/S massimo?

    Mostra la risposta

    Un W/S più alto richiede una velocità di stallo più alta.

Errori concettuali comuni

  • Mito: Ali più grandi sono sempre migliori.

    In realtà: Aggiungono peso e resistenza.

  • Mito: La potenza di salita è piccola.

    In realtà: Può dominare nei piccoli droni.

  • Mito: η = 1.

    In realtà: Eliche e motori perdono energia.

Flashcard

  • Carico alare

    Peso per superficie alare.

  • C_Lmax

    Coefficiente di portanza massimo.

  • Diagramma dei vincoli

    Requisiti su un unico grafico.

  • Rateo di salita

    Velocità verticale.

  • Rendimento propulsivo

    Frazione di potenza utile.

  • Velocità di stallo

    Velocità stazionaria minima.

Quiz di autoverifica

1. W/S…

Mostra la risposta

105.8 N/m². ½ρV²C_L.

2. Superficie alare…

Mostra la risposta

0.463 m². W/(W/S).

3. Potenza di salita…

Mostra la risposta

245 W. Dividi per η.

4. Il punto di progetto sta…

Mostra la risposta

dove tutti i vincoli sono soddisfatti. Regione ammissibile.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

Il Sustainable Flight National Partnership della NASA punta anche a operazioni efficienti delle compagnie e traiettorie ottimali, dove le scelte di potenza e salita incontrano il consumo di carburante.

Piccoli droni elettrici ben dimensionati come in questa unità sono già usati per rilievi di colture, foreste e coste. I valori in questa unità sono valori di esempio.

Su Saving Planets: Prestazioni dei velivoli · Aerodinamica I

Fonti: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

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Unità 5 · Settimana 6

Percorso CubeSat: dimensionamento e orbita

Formati CubeSat, massa ammessa, periodo orbitale, passaggi al giorno e frazione di eclisse in orbita terrestre bassa.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Dimensionare il budget di massa di un CubeSat 3U.
  • Calcolare il periodo orbitale.
  • Calcolare le orbite al giorno.
  • Calcolare l’eclisse nel caso peggiore.

Concetti chiave

  • I CubeSat sono fatti di unità (U) da 10 cm; un 3U misura circa 10 × 10 × 34 cm (valore da manuale).
  • La massa ammessa è di circa 1.33 kg per U (valore da manuale); verificala con il fornitore del lancio.
  • Il periodo orbitale dipende solo dal semiasse maggiore: T = 2π√(a³/μ).
  • Nel caso peggiore (Sole nel piano orbitale), la frazione di eclisse è asin(R_E/a)/π.
  • Le orbite basse decadono più in fretta per la resistenza; la maggior parte dei CubeSat studenteschi rientra in pochi anni.

Equazioni chiave

T=2πa3/μT=2\pi\sqrt{a^3/\mu}
Periodo orbitale
fe=1πsin⁡−1REaf_e=\frac{1}{\pi}\sin^{-1}\frac{R_E}{a}
Frazione di eclisse nel caso peggiore
n=1440/Tn=1440/T
Orbite al giorno (T in min)
a=RE+ha=R_E+h
Semiasse maggiore

Esempi svolti passo passo

Esempio 5.1 Periodo a 500 km di quota?

Mostra i passaggi
  1. a = 6878.1 km.
  2. T = 2π√(6878.1³/398,600.4).

Risposta: 94.6 min.

Esempio 5.2 Orbite al giorno?

Mostra i passaggi
  1. 1440/94.6.

Risposta: 15.2.

Esempio 5.3 Eclisse nel caso peggiore?

Mostra i passaggi
  1. asin(6378.1/6878.1)/π = 0.378.
  2. 0.378 × 94.6.

Risposta: 35.8 min.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Massa ammessa di un 3U a 1.33 kg/U?

    Mostra la risposta

    3.99 kg.

  2. Tempo al sole per orbita?

    Mostra la risposta

    58.9 min.

  3. Il periodo dipende dalla massa del CubeSat?

    Mostra la risposta

    No.

  4. Perché le orbite basse decadono?

    Mostra la risposta

    Resistenza atmosferica.

Errori concettuali comuni

  • Mito: I satelliti più pesanti orbitano più lentamente.

    In realtà: Il periodo dipende solo da a.

  • Mito: L’eclisse è sempre del 50%.

    In realtà: Dipende dalla quota e dall’angolo del Sole.

  • Mito: Usare la quota nella legge di Keplero.

    In realtà: Usa a = R_E + h.

Flashcard

  • CubeSat

    Piccolo satellite standard in unità da 10 cm.

  • 3U

    CubeSat a tre unità.

  • Periodo

    Durata di un’orbita.

  • Frazione di eclisse

    Quota dell’orbita in ombra.

  • Semiasse maggiore

    R_E + h per le orbite circolari.

  • Decadimento

    Perdita di orbita per resistenza.

Quiz di autoverifica

1. Periodo…

Mostra la risposta

94.6 min. 2π√(a³/μ).

2. Orbite al giorno…

Mostra la risposta

15.2. 1440/T.

3. Eclisse…

Mostra la risposta

35.8 min. 0.378 × 94.6.

4. Massa di un 3U…

Mostra la risposta

≈ 4 kg. 3 × 1.33.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

La NASA afferma che PREFIRE usa una coppia di minuscoli satelliti, CubeSat lanciati nel maggio 2024, per misurare una parte poco studiata dell’energia radiante emessa dalla Terra, alla ricerca di indizi su perdita di ghiaccio marino, fusione delle calotte e riscaldamento dell’Artico.

La NASA definisce l’Artico la regione che si comporta come il termostato del pianeta, smaltendo l’energia in eccesso ricevuta ai tropici; per questo lì conta una coppia di piccoli satelliti.

Su Saving Planets: Osservazione della Terra · Meccanica orbitale

Fonti: NASA Science: PREFIRE (Polar Radiant Energy in the Far-InfraRed Experiment)

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Unità 6 · Settimana 7

Percorso CubeSat: budget di potenza e di collegamento

Produzione dei pannelli solari, potenza media orbitale, dimensionamento della batteria per l’eclisse, attenuazione di un collegamento UHF e volume di dati giornaliero.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Calcolare la produzione dei pannelli al sole.
  • Calcolare la potenza media orbitale.
  • Dimensionare una batteria per l’eclissi.
  • Stimare attenuazione di percorso e dati al giorno.

Concetti chiave

  • La potenza dei pannelli è flusso solare × efficienza delle celle × area × cos(angolo).
  • La generazione media orbitale è ridotta dalla frazione di eclisse (e in pratica dal puntamento).
  • La batteria copre il carico durante l’eclisse; limitare la profondità di scarica ne allunga la vita in cicli.
  • L’attenuazione nello spazio libero cresce come 20 log₁₀(4πd/λ); le bande UHF radioamatoriali sono comuni per i CubeSat studenteschi.
  • Il volume di dati al giorno è velocità in bit × durata del passaggio × numero di passaggi.

Equazioni chiave

P=SηAcos⁡θP=S\eta A\cos\theta
Produzione dei pannelli
Pˉ=P(1−fe)\bar P=P(1-f_e)
Generazione media orbitale
E=PeteDoDE=\frac{P_et_e}{DoD}
Capacità della batteria
L=20log⁡104πdλL=20\log_{10}\frac{4\pi d}{\lambda}
Attenuazione di tratta

Esempi svolti passo passo

Esempio 6.1 Pannelli da 0.06 m² con celle al 28% rivolti al Sole (valori di esempio). Produzione?

Mostra i passaggi
  1. 1361 × 0.28 × 0.06.

Risposta: 22.9 W.

Esempio 6.2 Media orbitale con la frazione di eclisse di 0.378 dell’unità 5?

Mostra i passaggi
  1. 22.86 × 0.622.

Risposta: 14.2 W.

Esempio 6.3 Batteria per 8 W durante un’eclisse di 35.8 min al 30% di profondità di scarica?

Mostra i passaggi
  1. 8 × 35.75/60 = 4.77 Wh.
  2. 4.77/0.3.

Risposta: 15.9 Wh.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Attenuazione di percorso a 437 MHz su 1000 km?

    Mostra la risposta

    λ = 0.686 m; L = 145.3 dB.

  2. Dati al giorno a 9600 bit/s, quattro passaggi da 10 minuti?

    Mostra la risposta

    23.04 Mbit = 2.88 MB.

  3. Produzione con un angolo solare di 60°?

    Mostra la risposta

    11.4 W.

  4. Perché limitare la profondità di scarica?

    Mostra la risposta

    Più cicli prima che la batteria si usuri.

Errori concettuali comuni

  • Mito: La potenza solare è costante lungo l’orbita.

    In realtà: Eclisse e puntamento la riducono.

  • Mito: Batteria = energia dell’eclisse.

    In realtà: Dividi per la DoD.

  • Mito: Più bit al secondo sono gratis.

    In realtà: Servono più margini di collegamento.

Flashcard

  • Potenza media sull’orbita

    Generazione su un’orbita completa.

  • DoD

    Profondità di scarica.

  • Attenuazione di tratta

    Perdita per dispersione.

  • UHF

    Banda ad altissima frequenza.

  • Passaggio

    Tempo in cui una stazione di terra vede il satellite.

  • Volume di dati

    Bit scaricati al giorno.

Quiz di autoverifica

1. Produzione dei pannelli…

Mostra la risposta

22.9 W. SηA.

2. Media orbitale…

Mostra la risposta

14.2 W. × 0.622.

3. Batteria…

Mostra la risposta

15.9 Wh. ÷ 0.3.

4. Attenuazione di percorso…

Mostra la risposta

145.3 dB. 20 log₁₀(4πd/λ).

Come questo aiuta a salvare il pianeta

Il rapporto della NASA sui piccoli veicoli spaziali afferma che, quando la sua prima edizione fu pubblicata nel 2013, erano stati lanciati nel mondo 247 CubeSat e altri 105 piccoli veicoli sotto i 50 kg, meno del 2% della massa lanciata in orbita.

La NASA afferma che da allora i piccoli veicoli spaziali sono diventati il mezzo principale di accesso allo spazio per istituzioni commerciali, governative, private e accademiche, quindi budget di potenza e collegamento accurati sostengono oggi gran parte dell’osservazione della Terra.

Su Saving Planets: Progettazione di veicoli spaziali · Osservazione della Terra

Fonti: NASA Small Spacecraft Technology State of the Art

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Unità 7 · Settimana 8

Verifiche strutturali e termiche

Fattori di carico, margini di sicurezza, carichi di lancio e di volo e una prima stima di equilibrio termico per entrambi i percorsi.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Calcolare un carico di progetto da un fattore di carico.
  • Calcolare un margine di sicurezza.
  • Stimare la temperatura di equilibrio.
  • Decidere cosa richiede un’analisi dettagliata.

Concetti chiave

  • I carichi di progetto sono il peso per un fattore di carico (lancio o manovra), per un coefficiente di sicurezza.
  • Il margine di sicurezza MS = ammissibile/(FS × applicato) − 1 deve essere positivo.
  • L’alluminio 6061-T6 snerva vicino a 276 MPa (valore da manuale), una scelta comune sia per i droni sia per le strutture dei CubeSat.
  • Una prima stima termica bilancia la luce solare assorbita con l’infrarosso emesso; per α = ε un corpo al sole vicino alla Terra si trova in media vicino a 278 K.
  • Le verifiche a mano trovano i casi critici; i modelli a elementi finiti e termici poi li affinano.

Equazioni chiave

F=nmgF=nmg
Carico dal fattore di carico
MS=σallowFS⋅σ−1MS=\frac{\sigma_{allow}}{FS\cdot\sigma}-1
Margine di sicurezza
T=(αS4εσ)1/4T=\left(\frac{\alpha S}{4\varepsilon\sigma}\right)^{1/4}
Temperatura media di equilibrio
σ=F/A\sigma=F/A
Tensione normale

Esempi svolti passo passo

Esempio 7.1 Un CubeSat da 4 kg subisce 10 g (fattore di carico di esempio). Carico?

Mostra i passaggi
  1. 10 × 4 × 9.80665.

Risposta: 392 N.

Esempio 7.2 Una guida subisce 80 MPa; lo snervamento è 276 MPa; FS = 1.25. MS?

Mostra i passaggi
  1. 276/(1.25 × 80) − 1.

Risposta: 1.76, positivo.

Esempio 7.3 Temperatura media di equilibrio con α = ε?

Mostra i passaggi
  1. (1361/(4 × 5.670374419 × 10⁻⁸))^¼.

Risposta: 278 K.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. MS se la sollecitazione sale a 200 MPa?

    Mostra la risposta

    0.10.

  2. Carico a 6 g su 5 kg?

    Mostra la risposta

    294 N.

  3. In °C, quanto vale 278.3 K?

    Mostra la risposta

    5.2 °C.

  4. Perché un coefficiente di sicurezza?

    Mostra la risposta

    Incertezze su carichi, materiali e analisi.

Errori concettuali comuni

  • Mito: MS = 0 va bene.

    In realtà: Mantienilo positivo.

  • Mito: Lo spazio è freddo, quindi niente problemi termici.

    In realtà: Le parti al sole possono surriscaldarsi.

  • Mito: Le verifiche a mano sostituiscono l’analisi.

    In realtà: La guidano.

Flashcard

  • Fattore di carico

    Multiplo del peso.

  • Coefficiente di sicurezza

    Moltiplicatore dei carichi.

  • Margine di sicurezza

    Ammissibile su richiesto meno uno.

  • Tensione di snervamento

    Sollecitazione che produce deformazione permanente.

  • Temperatura di equilibrio

    Assorbito = emesso.

  • FEA

    Analisi agli elementi finiti.

Quiz di autoverifica

1. Carico…

Mostra la risposta

392 N. nmg.

2. MS…

Mostra la risposta

1.76. 276/100 − 1.

3. T di equilibrio…

Mostra la risposta

278 K. (S/4σ)^¼.

4. L’MS deve essere…

Mostra la risposta

positivo. Definizione.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

La NASA afferma che i due CubeSat di PREFIRE misurano l’emissione nel lontano infrarosso della Terra, la stessa radiazione che questa unità bilancia nella sua stima termica.

La NASA riferisce che la missione PREFIRE è stata estesa perché i due satelliti operino almeno fino a settembre 2026, ampliando l’attenzione dai poli all’intero pianeta, frutto di un progetto che è sopravvissuto al lancio e all’orbita.

Su Saving Planets: Strutture aerospaziali · Trasmissione del calore

Fonti: NASA Science: PREFIRE (Polar Radiant Energy in the Far-InfraRed Experiment)

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Unità 8 · Settimane 9–10

Costi, tempi e rischi

Strutture di scomposizione del lavoro, cronoprogrammi a percorso critico, valore acquisito, matrici dei rischi e piani di mitigazione.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Costruire una WBS.
  • Trovare il percorso critico.
  • Calcolare CPI, SPI e stima a finire.
  • Valutare e mitigare i rischi.

Concetti chiave

  • Una WBS suddivide il progetto in parti consegnabili che si possono stimare e assegnare.
  • Il percorso critico è la catena più lunga di attività dipendenti; qualsiasi ritardo su di esso ritarda il progetto.
  • Il valore acquisito confronta valore pianificato, valore acquisito e costo effettivo.
  • CPI = EV/AC e SPI = EV/PV; valori sotto 1 significano fuori budget o in ritardo.
  • I rischi sono valutati come probabilità × conseguenza e seguiti con responsabili e mitigazioni.

Equazioni chiave

CPI=EV/ACCPI=EV/AC
Indice di performance dei costi
SPI=EV/PVSPI=EV/PV
Indice di performance dei tempi
EAC=BAC/CPIEAC=BAC/CPI
Stima a finire
R=L×CR=L\times C
Punteggio di rischio

Esempi svolti passo passo

Esempio 8.1 PV = $50k, EV = $45k, AC = $48k (valori di esempio). CPI e SPI?

Mostra i passaggi
  1. CPI = 45/48.
  2. SPI = 45/50.

Risposta: CPI = 0.9375, SPI = 0.90.

Esempio 8.2 Il budget a finire è $100k. EAC?

Mostra i passaggi
  1. 100/0.9375.

Risposta: $106.7k.

Esempio 8.3 Attività in sequenza durano 3, 4, 5 e 2 settimane in un semestre di 15 settimane. Margine?

Mostra i passaggi
  1. Percorso = 14 settimane.
  2. 15 − 14.

Risposta: 1 settimana.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Punteggio di rischio per probabilità 4 e conseguenza 5?

    Mostra la risposta

    20 su 25.

  2. Che cosa significa CPI = 1.1?

    Mostra la risposta

    Sotto budget.

  3. Scostamento a finire per un EAC di $106.7k?

    Mostra la risposta

    −$6.7k.

  4. Che cos’è una WBS?

    Mostra la risposta

    Struttura di scomposizione del lavoro.

Errori concettuali comuni

  • Mito: Spendere secondo il piano significa essere nei tempi.

    In realtà: Confronta il valore acquisito, non la spesa.

  • Mito: Ogni attività è critica.

    In realtà: Solo il percorso più lungo lo è.

  • Mito: I rischi spariscono una volta elencati.

    In realtà: Hanno bisogno di responsabili e azioni.

Flashcard

  • WBS

    Struttura di scomposizione del lavoro.

  • Percorso critico

    Catena dipendente più lunga.

  • Valore acquisito

    Valore del lavoro svolto.

  • CPI

    EV/AC.

  • SPI

    EV/PV.

  • Matrice dei rischi

    Probabilità × conseguenza.

Quiz di autoverifica

1. CPI…

Mostra la risposta

0.9375. EV/AC.

2. SPI…

Mostra la risposta

0.90. EV/PV.

3. EAC…

Mostra la risposta

$106.7k. BAC/CPI.

4. Margine…

Mostra la risposta

1 settimana. 15 − 14.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

Il Systems Engineering Handbook della NASA include un’intera sezione sulla gestione tecnica trasversale, accanto alla progettazione di sistema e alla realizzazione del prodotto.

I progetti che rispettano budget e tempi vengono lanciati prima, e i dati di osservazione della Terra iniziano ad arrivare prima. I costi in questa unità sono valori di esempio.

Su Saving Planets: Soluzioni · Avionica e ingegneria dei sistemi

Fonti: NASA Systems Engineering Handbook

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Unità 9 · Settimane 11–13

Prototipo, prove e verifica

Matrici di verifica, pianificazione delle prove, statistica delle misure, confronto dei risultati con le previsioni e chiusura dei requisiti.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Costruire una matrice di verifica.
  • Calcolare media e deviazione standard.
  • Confrontare una misura con un’allocazione.
  • Chiudere un requisito o concedere una deroga.

Concetti chiave

  • Una matrice di verifica elenca ogni requisito, il suo metodo, la prova o l’analisi e il risultato.
  • Ripeti le misure per stimare media e dispersione; riportale entrambe.
  • Confronta i risultati con le previsioni; grandi differenze rivelano presto errori del modello.
  • Prova come voli: usa configurazioni e procedure rappresentative del volo.
  • Il 16.83X del MIT segue le fasi concepire, progettare, realizzare e operare, terminando con prove nell’ambiente previsto.

Equazioni chiave

xˉ=1n∑xi\bar x=\frac1n\sum x_i
Media
s=∑(xi−xˉ)2n−1s=\sqrt{\frac{\sum(x_i-\bar x)^2}{n-1}}
Deviazione standard campionaria
Margin=A−xˉxˉ\text{Margin}=\frac{A-\bar x}{\bar x}
Margine misurato
e=xm−xpxpe=\frac{x_m-x_p}{x_p}
Errore di previsione

Esempi svolti passo passo

Esempio 9.1 Cinque misure di massa: 3.38, 3.42, 3.40, 3.45, 3.35 kg. Media?

Mostra i passaggi
  1. Sum 17.00/5.

Risposta: 3.40 kg.

Esempio 9.2 Deviazione standard campionaria?

Mostra i passaggi
  1. Scarti −0.02, 0.02, 0, 0.05, −0.05.
  2. √(0.0058/4).

Risposta: 0.038 kg.

Esempio 9.3 Margine rispetto all’allocazione di 4.0 kg?

Mostra i passaggi
  1. (4.0 − 3.40)/3.40.

Risposta: 17.6%: il requisito si chiude.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Previsto 3.30 kg, misurato 3.40 kg. Errore?

    Mostra la risposta

    +3.03%.

  2. Perché ripetere le misure?

    Mostra la risposta

    Per stimare la dispersione e individuare errori.

  3. Che cosa significa «prova come voli»?

    Mostra la risposta

    Usare hardware e procedure rappresentativi del volo.

  4. Chi approva una deroga?

    Mostra la risposta

    Il comitato di revisione del progetto o il cliente.

Errori concettuali comuni

  • Mito: Una sola misura basta.

    In realtà: Riporta media e dispersione.

  • Mito: Le prove dimostrano che un progetto è perfetto.

    In realtà: Mostrano che soddisfa i requisiti nelle condizioni di prova.

  • Mito: I dati discordanti sono negativi.

    In realtà: Ti insegnano qualcosa sul modello.

Flashcard

  • Matrice di verifica

    Tabella requisito-evidenza.

  • Media

    Media.

  • Deviazione standard

    Dispersione.

  • Prova come voli

    Prove rappresentative del volo.

  • Deroga

    Eccezione approvata.

  • CDIO

    Concepire, progettare, realizzare, operare.

Quiz di autoverifica

1. Media…

Mostra la risposta

3.40 kg. Sum/n.

2. Deviazione standard…

Mostra la risposta

0.038 kg. Formula campionaria.

3. Margine…

Mostra la risposta

17.6%. (4 − 3.4)/3.4.

4. Errore di previsione…

Mostra la risposta

+3.03%. 0.1/3.3.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

MIT OpenCourseWare descrive il 16.83X come basato su un modello concepire-progettare-realizzare-operare, con una fase finale in cui il sistema viene collaudato e preparato per l’ambiente previsto.

Il CubeSat Launch Initiative della NASA porta in volo satelliti studenteschi che superano questo tipo di prove, trasformando progetti finali in strumenti operativi in orbita.

Su Saving Planets: Avionica e ingegneria dei sistemi · Probabilità e statistica

Fonti: MIT OpenCourseWare 16.83X Space Systems Engineering (Spring 2002 – Spring 2003) · NASA: CubeSat Launch Initiative

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Unità 10 · Settimane 14–15

Revisioni di progetto e relazione finale

Revisioni di progetto preliminare e critica, presentazione di trade-off e budget, risposta alle domande e stesura della relazione finale.

Obiettivi di apprendimento

Alla fine di questa unità saprai:

  • Pianificare una revisione di progetto.
  • Presentare i budget con i margini.
  • Seguire le azioni emerse dalla revisione.
  • Scrivere una relazione finale chiara.

Concetti chiave

  • Una revisione di progetto preliminare mostra che il concetto soddisfa i requisiti con margine; una revisione critica mostra che il progetto di dettaglio è pronto per la costruzione.
  • Inizia dai requisiti, poi il progetto, poi budget, rischi, piani di prova e questioni aperte.
  • Ogni revisione produce azioni con responsabili e scadenze.
  • La relazione finale racconta la storia dall’esigenza al progetto verificato, con numeri riconducibili al foglio di calcolo.
  • Discutere onestamente ciò che non ha funzionato fa parte della buona ingegneria.

Equazioni chiave

ttalk=nslides×tslidet_{talk}=n_{slides}\times t_{slide}
Durata della presentazione
Closure=nclosedntotal\text{Closure}=\frac{n_{closed}}{n_{total}}
Chiusura delle azioni
Margin=A−EE\text{Margin}=\frac{A-E}{E}
Margine di budget
Coverage=nverifiednreq\text{Coverage}=\frac{n_{verified}}{n_{req}}
Copertura della verifica

Esempi svolti passo passo

Esempio 10.1 Una revisione di 20 minuti a 1.5 minuti per slide. Quante slide?

Mostra i passaggi
  1. 20/1.5.

Risposta: Circa 13.

Esempio 10.2 Una revisione lascia 12 azioni; 9 sono chiuse. Chiusura?

Mostra i passaggi
  1. 9/12.

Risposta: 75%.

Esempio 10.3 30 requisiti su 32 sono verificati. Copertura?

Mostra i passaggi
  1. 30/32.

Risposta: 93.75%.

Esercizi

Svolgi ciascuno prima su carta, poi controlla.

  1. Slide per una revisione di 30 minuti a 2 min ciascuna?

    Mostra la risposta

    15.

  2. Che cosa segue la PDR?

    Mostra la risposta

    CDR.

  3. Chiusura con 11 su 12 chiuse?

    Mostra la risposta

    91.7%.

  4. Perché mostrare le questioni aperte?

    Mostra la risposta

    I revisori possono aiutare, e crea fiducia.

Errori concettuali comuni

  • Mito: Le revisioni sono esami.

    In realtà: Aiutano il progetto.

  • Mito: Più slide è meglio.

    In realtà: La chiarezza batte il volume.

  • Mito: Nascondere i problemi.

    In realtà: Mostrali con dei piani.

Flashcard

  • PDR

    Revisione di progetto preliminare.

  • CDR

    Revisione critica di progetto.

  • Azione

    Attività emersa da una revisione.

  • Relazione finale

    Racconto dall’esigenza alla verifica.

  • Copertura

    Quota di requisiti verificati.

  • Lezioni apprese

    Cosa fare diversamente.

Quiz di autoverifica

1. Slide…

Mostra la risposta

≈ 13. 20/1.5.

2. Chiusura…

Mostra la risposta

75%. 9/12.

3. Copertura…

Mostra la risposta

93.75%. 30/32.

4. La CDR mostra…

Mostra la risposta

un progetto pronto da costruire. Progetto critico.

Come questo aiuta a salvare il pianeta

La NASA afferma che il suo Sustainable Flight National Partnership sostiene l’obiettivo della comunità aeronautica di zero emissioni nette di carbonio entro il 2050.

La NASA afferma che la missione estesa di PREFIRE osserva ora l’intero pianeta; revisioni e relazioni solide sono il modo in cui i progetti di studenti e professionisti raggiungono questo tipo di impatto.

Su Saving Planets: Soluzioni · Osservazione della Terra

Fonti: NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership · NASA Science: PREFIRE (Polar Radiant Energy in the Far-InfraRed Experiment)

Risorse di apprendimento gratuite

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Il laboratorio (Design studio)

Lo studio di progettazione è la parte pratica del corso. Qui è gratuito e solo per esercitarsi, senza crediti.

Ogni laboratorio è uno strumento di progettazione su foglio di calcolo, quindi non ci sono pericoli. Per questo corso non costruire né far volare un vero drone, non caricare batterie al litio e non maneggiare hardware di lancio senza supervisione qualificata e nel rispetto delle norme locali. Fai pause dallo schermo, mantieni una buona postura e tieni i cavi fuori dai passaggi.

Riferimento per la sicurezza: OSHA: Walking-working surfaces (slip, trip and fall hazards)

Laboratorio A: Tracciamento di requisiti e margini

Settimana 1

Obiettivo: Costruisci il foglio dei requisiti che userà tutto il tuo progetto, con margini aggiornati in tempo reale.

Margin=(A−E)/E\text{Margin}=(A-E)/E
Margine

Procedimento

  1. Elenca 10–20 requisiti con numero, unità e metodo di verifica.
  2. Inserisci un’allocazione di massa di 4.0 kg (valore da manuale per un 3U) o un’allocazione di 5 kg per il drone.
  3. Inserisci stime di 3.4, 3.6 e 3.8 kg e calcola il margine.
  4. Colora di rosso i margini sotto il 10%.

Tabella dei dati

Stima (kg)Margine
3.417.6%
3.611.1%
3.85.26%

Valori d’esempio calcolati.

Calcolo di esempio

  1. (4.0 − 3.6)/3.6 = 11.1%.
  2. (4.0 − 3.8)/3.8 = 5.26%.

Sicurezza

  • Solo computer.

Alternativa a casa o virtuale

  • Va bene qualsiasi foglio di calcolo.

NASA Systems Engineering Handbook

Legame con il pianeta: Il CubeSat Launch Initiative della NASA ha lanciato oltre 150 CubeSat. NASA: CubeSat Launch Initiative

Laboratorio B: Matrice di selezione del concetto con sensibilità

Settimana 2

Obiettivo: Valuta due concetti e verifica come i pesi cambiano il vincitore.

S=∑wisiS=\sum w_is_i
Punteggio pesato

Procedimento

  1. Inserisci i punteggi dell’unità 2: A (6, 9, 5), B (8, 6, 8).
  2. Valuta con tre insiemi di pesi.
  3. Traccia il vincitore in funzione del peso delle prestazioni.
  4. Scrivi un paragrafo per difendere la tua scelta.

Tabella dei dati

Pesi (costo, prest., rischio)AB
0.3, 0.5, 0.27.37.0
0.4, 0.3, 0.36.67.4
0.2, 0.6, 0.27.66.8

Valori d’esempio calcolati.

Calcolo di esempio

  1. A = 0.2 × 6 + 0.6 × 9 + 0.2 × 5 = 7.6.
  2. B = 0.2 × 8 + 0.6 × 6 + 0.2 × 8 = 6.8.

Sicurezza

  • Solo computer.

Alternativa a casa o virtuale

  • Va bene qualsiasi foglio di calcolo.

MIT OpenCourseWare 16.83X Space Systems Engineering (Spring 2002 – Spring 2003)

Legame con il pianeta: L’SFNP della NASA copre velivoli, operazioni e carburanti sostenibili. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

Laboratorio C: Ciclo di dimensionamento del drone

Settimana 4

Obiettivo: Dimensiona la massa al decollo del percorso drone per diverse frazioni di batteria.

W0=Wpay/(1−fe−fb)W_0=W_{pay}/(1-f_e-f_b)
Massa al decollo

Procedimento

  1. Inserisci 1 kg di carico utile e una frazione a vuoto di 0.5.
  2. Calcola la massa al decollo per frazioni di batteria di 0.25, 0.30 e 0.35.
  3. Aggiungi la superficie alare da W/S = 105.84 N/m².
  4. Scegli un punto di progetto e giustificalo.

Tabella dei dati

Frazione di batteriaMassa al decollo (kg)
0.254.0
0.305.0
0.356.67

Valori d’esempio calcolati.

Calcolo di esempio

  1. 1/(1 − 0.5 − 0.25) = 4.0 kg.
  2. 1/(1 − 0.5 − 0.35) = 6.67 kg.

Sicurezza

  • Solo computer.

Alternativa a casa o virtuale

  • Va bene qualsiasi foglio di calcolo.

MIT OpenCourseWare 16.83X Space Systems Engineering (Spring 2002 – Spring 2003)

Legame con il pianeta: L’SFNP della NASA punta a guadagni di efficienza energetica del 25–30%. NASA Aeronautics: Sustainable Flight National Partnership

Laboratorio D: Orbita ed eclisse del CubeSat

Settimana 6

Obiettivo: Calcola periodo ed eclisse nel caso peggiore per le quote candidate.

T=2πa3/μT=2\pi\sqrt{a^3/\mu}
Periodo

Procedimento

  1. Inserisci le quote 400, 500 e 600 km.
  2. Calcola T e le orbite al giorno.
  3. Calcola i minuti di eclisse nel caso peggiore.
  4. Scegli una quota e annota il compromesso con la durata dovuta alla resistenza.

Tabella dei dati

Quota (km)T (min)Eclissi (min)
40092.636.1
50094.635.8
60096.735.5

Valori d’esempio calcolati.

Calcolo di esempio

  1. T(600) = 2π√(6978.1³/398600.4) = 96.7 min.
  2. Eclisse(400) = 0.390 × 92.6 = 36.1 min.

Sicurezza

  • Solo computer.

Alternativa a casa o virtuale

  • Va bene qualsiasi foglio di calcolo.

NASA Small Spacecraft Technology State of the Art

Legame con il pianeta: NASA: i CubeSat di PREFIRE sono stati lanciati nel maggio 2024. NASA Science: PREFIRE (Polar Radiant Energy in the Far-InfraRed Experiment)

Laboratorio E: Budget di potenza e dati

Settimana 7

Obiettivo: Chiudi i budget di potenza e dati del CubeSat con margine.

V=RbtpnpV=R_bt_pn_p
Volume di dati giornaliero

Procedimento

  1. Inserisci una produzione dei pannelli di 22.9 W e una media orbitale di 14.2 W.
  2. Elenca i carichi e confrontali con la media orbitale.
  3. Calcola i dati al giorno a 9600 bit/s per 2, 4 e 6 passaggi da dieci minuti.
  4. Confrontali con i dati giornalieri del tuo carico utile.

Tabella dei dati

Passaggi al giornoDati (Mbit)
211.52
423.04
634.56

Valori d’esempio calcolati.

Calcolo di esempio

  1. 9600 × 600 × 2 = 11.52 Mbit.
  2. 9600 × 600 × 6 = 34.56 Mbit.

Sicurezza

  • Solo computer.

Alternativa a casa o virtuale

  • Va bene qualsiasi foglio di calcolo.

NASA Small Spacecraft Technology State of the Art

Legame con il pianeta: NASA: i piccoli veicoli spaziali sono ora il mezzo principale di accesso allo spazio per molti gruppi. NASA Small Spacecraft Technology State of the Art

Laboratorio F: Tracciamento del valore acquisito

Settimana 10

Obiettivo: Segui le prestazioni di costi e tempi su tre date di avanzamento.

CPI=EV/AC, SPI=EV/PVCPI=EV/AC,\ SPI=EV/PV
Indici di prestazione

Procedimento

  1. Inserisci PV, EV e AC per tre date.
  2. Calcola CPI e SPI.
  3. Calcola l’EAC con BAC = $100k.
  4. Scrivi uno stato di una riga per ogni data.

Tabella dei dati

PV, EV, AC ($k)CPISPI
20, 20, 220.9091.00
50, 45, 480.93750.90
80, 76, 800.950.95

Valori d’esempio calcolati.

Calcolo di esempio

  1. 20/22 = 0.909.
  2. 76/80 = 0.95.

Sicurezza

  • Solo computer.

Alternativa a casa o virtuale

  • Va bene qualsiasi foglio di calcolo.

NASA Systems Engineering Handbook

Legame con il pianeta: Il manuale della NASA tratta la gestione tecnica trasversale. NASA Systems Engineering Handbook

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Serie di esercizi per gli esami

Cronometrati: circa 10 minuti per problema. Poi confronta con le soluzioni complete.

Esercizi di preparazione all’esame intermedio (unità 1–5)

  1. Margine di un’allocazione di 4.0 kg su una stima di 3.6 kg?

    Mostra la soluzione completa
    1. 0.4/3.6.

    Risposta: 11.1%.

  2. Massa al decollo per 2 kg di carico utile, frazione a vuoto 0.45, batteria 0.3?

    Mostra la soluzione completa
    1. 2/0.25.

    Risposta: 8 kg.

  3. Carico alare per uno stallo a 14 m/s, C_Lmax 1.3?

    Mostra la soluzione completa
    1. ½ × 1.225 × 196 × 1.3.

    Risposta: 156.1 N/m².

  4. Periodo a 400 km?

    Mostra la soluzione completa
    1. a = 6778.1 km.

    Risposta: 92.6 min.

  5. Autonomia di Breguet con L/D = 20 invece di 17 (valori dell’unità 3)?

    Mostra la soluzione completa
    1. 5235 × 20/17.

    Risposta: 6159 km.

Serie finale di esercizi (unità 1–10)

  1. Pannello da 0.09 m² con efficienza del 30%?

    Mostra la soluzione completa
    1. 1361 × 0.3 × 0.09.

    Risposta: 36.7 W.

  2. Batteria per 10 W per 36 min al 25% di DoD?

    Mostra la soluzione completa
    1. 10 × 0.6/0.25.

    Risposta: 24 Wh.

  3. MS per 100 MPa, snervamento 276 MPa, FS 1.4?

    Mostra la soluzione completa
    1. 276/140 − 1.

    Risposta: 0.971.

  4. EAC con BAC $200k, EV 60, AC 64?

    Mostra la soluzione completa
    1. CPI = 0.9375.
    2. 200/0.9375.

    Risposta: $213.3k.

  5. Media e deviazione standard campionaria di 2, 4, 6?

    Mostra la soluzione completa
    1. Media 4.
    2. √(8/2).

    Risposta: 4 e 2.

  6. Copertura della verifica, 45 su 50?

    Mostra la soluzione completa
    1. 45/50.

    Risposta: 90%.

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Formulario

Margin=(A−E)/E, malloc=mest(1+M)\text{Margin}=(A-E)/E,\ m_{alloc}=m_{est}(1+M)
S=∑wisi, N=∏niS=\sum w_is_i,\ N=\prod n_i
W0=Wpay/(1−fe−fb), R=(V/c)(L/D)ln⁡(Wi/Wf)W_0=W_{pay}/(1-f_e-f_b),\ R=(V/c)(L/D)\ln(W_i/W_f)
W/S=12ρVs2CL,max, P=W(V/(L/D)+RC)/ηW/S=\tfrac12\rho V_s^2C_{L,max},\ P=W(V/(L/D)+RC)/\eta
T=2πa3/μ, fe=sin⁡−1(RE/a)/πT=2\pi\sqrt{a^3/\mu},\ f_e=\sin^{-1}(R_E/a)/\pi
P=SηAcos⁡θ, E=Pete/DoD, L=20log⁡10(4πd/λ)P=S\eta A\cos\theta,\ E=P_et_e/DoD,\ L=20\log_{10}(4\pi d/\lambda)
F=nmg, MS=σallow/(FS σ)−1F=nmg,\ MS=\sigma_{allow}/(FS\,\sigma)-1
CPI=EV/AC, SPI=EV/PV, EAC=BAC/CPICPI=EV/AC,\ SPI=EV/PV,\ EAC=BAC/CPI
xˉ=∑xi/n, s=∑(xi−xˉ)2/(n−1)\bar x=\sum x_i/n,\ s=\sqrt{\sum(x_i-\bar x)^2/(n-1)}
Coverage=nverified/nreq\text{Coverage}=n_{verified}/n_{req}

Costanti

CostanteValore
Parametro gravitazionale terrestre (valore da manuale)μ = 398,600.4418 km³/s²
Raggio equatoriale terrestre (valore da manuale)6378.137 km
Gravità standardg = 9.80665 m/s²
Costante solare (valore da manuale)1361 W/m²
Densità dell’aria al livello del mare (valore da manuale)1.225 kg/m³
Velocità della lucec = 299792458 m/s (esatto)

Fonte: NIST: CODATA value, speed of light in vacuum

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Testi e risorse gratuiti

Usa questi manuali, lezioni e pagine di missione gratuiti insieme al corso.

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Glossario

Azione
Attività assegnata in una revisione.
Allocazione
Quota a budget di una risorsa.
Equazione di Breguet
Equazione dell’autonomia di un velivolo.
CDR
Revisione critica di progetto.
CPI
Indice di prestazione dei costi.
Diagramma dei vincoli
Requisiti tracciati in funzione del carico alare.
Percorso critico
Catena più lunga di attività dipendenti.
CubeSat
Piccolo satellite costruito in unità da 10 cm.
Profondità di scarica
Quota della capacità della batteria utilizzata.
Valore acquisito
Valore a budget del lavoro svolto.
Frazione di eclisse
Quota di un’orbita in ombra.
Margine di sicurezza
Ammissibile su richiesto meno uno.
Tavola morfologica
Opzioni per ogni funzione.
PDR
Revisione di progetto preliminare.
Matrice di Pugh
Confronto con un concetto di riferimento.
Requisito
Enunciato verificabile di un bisogno.
SPI
Indice di prestazione dei tempi.
Matrice di verifica
Tabella requisito-evidenza.
Carico alare
Peso per superficie alare.
Work breakdown structure (WBS)
Progetto suddiviso in deliverable.

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Griglia di autovalutazione

Non si assegnano voti né crediti. Usala per valutare onestamente a che punto sei in ogni unità.

LivelloCome si presenta
4 · PadronanzaConsegna un progetto che collega ogni numero a un requisito, chiude tutti i budget con margine, verifica i requisiti con evidenze e presenta chiaramente compromessi, rischi e lezioni.
3 · CompetenteChiude la maggior parte dei budget con margine e presenta un progetto chiaro con lacune minori.
2 · In sviluppoHa un concetto e alcuni budget, ma una tracciabilità dei requisiti debole o margini mancanti.
1 · PrincipiantePresenta un progetto senza requisiti, budget né verifica; deve rivedere le unità.

Pesi suggeriti se vuoi un punteggio

PartePeso
Esercizi20%
Laboratori25%
Serie di esercizi di metà corso25%
Serie di esercizi finale30%

Punta al livello 3 o superiore in ogni unità prima di passare al corso successivo.

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