Design, analysis and optimization of a micro-satellite for the study of lower thermosphere and re-entry conditions

Abstract

The scope of this thesis is to design, built and test a Double-Unit nanosatellite, with the view of launching and operate it in the lower thermosphere. The key innovative approach is the design optimization for an actual space mission, creating a hybrid design for the structural subsystem. The new design approach based on both aluminum and composite materials for the structural frame, fulfilling all design and test requirements and successfully delivered and set into orbit, proving the feasibility of the new design.Initially, the potentiality of building full composite CubeSat structures was explored. Two different designs were created, that met all design requirements and manufactured, using the vacuum bag-autoclave methodology (carbon-epoxy prepreg). Both structures were tested verifying the FEA results and the mass reduction between the new designs and the commercial available structure (CubeSat-kit) was close to 40%. Despite that, these designs proven not feasible, for use in an actual space mission, as no consideration was made for the internal subsystems.The design optimization, driven by mass-stiffness principles, led to a new “hybrid” design that met all system requirements, considering all the necessary subsystems of a CubeSat mission. Through Finite Element Analysis the feasibility of the new design was proved and this way it could be used in a space mission concerning a Triple-Unit CubeSat having onboard a deorbiting device (FP7-DeorbitSAIL). The author dealt with the design, analysis and manufacturing of the entire structural subsystem of the mission (electronics bus, 3U CFRP panels, and several small parts) following the aforementioned design approach. All structural components were manufactured using a space approved Cyanate-Ester/Carbon prepreg and autoclave methodology and met all design tolerances and mass requirements. The structural system was passed all required tests, withstood the launch loads and set into orbit fulfilling its mission. This way, the first attempt of delivering a flight model (subsystem level) is considered successful as the entire system (and thus the structural subsystem) was labeled as flight proven.The next step was the designing of a complete space mission (UPSat) from scratch, delivering a fully assembled, fully tested and fully functional Double-Unit CubeSat, under the framework of the FP7-QB50 project. The same design principles as before were followed concerning the structural sub-system, creating from scratch a “hybrid” design using both aluminum alloy and composite materials; the same composite material and lamination was also used for this chassis. The design was based on the use of composite materials as primary structural components, for mass reduction and enhancement of the structural integrity of the entire system and also the ease of access during the assembly and integration procedure. The design of all different subsystems and the assembly management in order to fulfill all design requirements, was one the major difficulties, during the Critical Design Review. Although, the fully assembled CAD model, and the FEA results from the required loading scenarios (Resonance, Quasi-Static, Sine and PSD vibrations, Thermal) passed successfully the CDR phase as the structural integrity and normal operation of all designed subsystems verified.The entire manufacturing, assembly and integration process took place in Greece and the systems engineering principles applied were in line with the ECSS standards. The author had major involvement and key role during this procedure; assembly and integration sequence, harnessing plan, test sequence etc. The in-house manufactured components met all design requirements, the system assembly performed inside a relatively clean environment, built in-house and all PCBs designed and built according to ECSS recommendations (NO involvement for the author during the PCBs manufacturing and software writing).The assembled system withstood all required tests, simulating the launch and operational environments verifying the FEA results for an adequately robust CubeSat system. All tests during the vibration campaign (HAI facilities) did not reveal any malfunctions in subsystem level while only visual inspection was performed for verifying the perfect condition of the external components. On the other hand, for the needs of the Thermal Vacuum Campaign, an in-house (AML/UPAT) TVAC chamber designed and manufactured and both tests (thermal cycling and bake-out), verified the normal operation of all subsystems at the extreme conditions the nanosatellite will face during its mission. The UPSat team, completed the FRR phase and got the green light from NASA, NanoRACKS and QB50 personnel for delivering the CubeSat for the final check-out procedures and integration into the P-PODs.In conclusion, this thesis proved the feasibility of building an entire CubeSat system from scratch; all subsystems were redesigned, built and tested in Greece and met all requirements. The design optimization performed for the structural subsystem led to an innovative design fulfilled all design and system requirements and got the final approval for launch, marked the UPSat mission as the first Greek open-source nanosatellite ever launched.

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι ο σχεδιασμός, η κατασκευή και ο πειραματικός χαρακτηρισμός ενός νανο-δορυφόρου διπλής δομής (2U), με σκοπό την εκτόξευση και λειτουργία του στην κατώτερη θερμόσφαιρα. Η βασική καινοτόμος προσέγγιση είναι η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού για μια πραγματική διαστημική αποστολή, και η δημιουργία ενός υβριδικού σχεδίου για το υποσύστημα της δομής. Η νέα σχεδιαστική προσέγγιση βασίζεται στη χρησιμοποίηση τόσο αλουμίνιου όσο και σύνθετων υλικών για το δομικό πλαίσιο, ικανοποιώντας όλες τις απαιτήσεις σχεδιασμού και δοκιμών.Αρχικά, διερευνήθηκε η δυνατότητα κατασκευής CubeSat εξολοκλήρου από σύνθετα υλικά. Δημιουργήθηκαν δύο διαφορετικοί σχεδιασμοί, οι οποίοι πληρούσαν όλες τις απαιτήσεις σχεδιασμού και κατασκευάστηκαν, χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία της σακούλας κενού και autoclave (carbon-epoxy prepreg). Και οι δύο δομές δοκιμάστηκαν για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων FEA και η μείωση μάζας μεταξύ των νέων σχεδίων και της εμπορικά διαθέσιμης δομής (CubeSat-kit) πλησίασε το 40%. Παρ 'όλα αυτά, αυτά τα σχέδια δεν αποδείχθηκαν εφικτά, για χρήση σε μια πραγματική διαστημική αποστολή, καθώς δεν ελήφθησαν υπόψη τα εσωτερικά υποσυστήματα.Η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού, με γνώμονα τις αρχές μάζας και δυσκαμψίας, οδήγησε σε ένα νέο "υβριδικό" σχέδιο δομής που πληρούσε όλες τις απαιτήσεις του συστήματος, λαμβάνοντας υπόψη όλα τα απαραίτητα υποσυστήματα μιας αποστολής CubeSat. Μέσω ανάλυσης με Πεπερασμένα Στοιχεία, το νέο αυτό σχέδιο αποδείχθηκε ικανό να θεωρηθεί υποσύστημα μιας πραγματικής διαστημικής αποστολής. Πράγματι, το σχέδιο αυτό, βρήκε εφαρμογή στην αποστολή FP7-DeorbitSAIL, που αφορούσε ένα νανο-δορυφόρο τριπλής δομής που έφερε συσκευή για μείωση τροχιάς. Ο υποψήφιος διδάκτορας, ασχολήθηκε με το σχεδιασμό, την ανάλυση και την κατασκευή ολόκληρου του δομικού υποσυστήματος της αποστολής καθώς και αρκετών επιμέρους υποσυστημάτων (electronics bus, 3U CFRP panels, and several small parts) ακολουθώντας την προαναφερθείσα σχεδιαστική προσέγγιση. Όλα τα δομικά στοιχεία κατασκευάστηκαν με χρήση πιστοποιημένου για διαστημικές αποστολές κυανεστερικό prepreg και μεθεδολογία autoclave και πληρούσαν όλες τις σχεδιαστικές προδιαγραφές και απαιτήσεις μάζας. Το δομικό σύστημα πέρασε όλες τις απαιτούμενες δοκιμές, ανταπεξήλθε στα φορτία εκτόξευσης και τέθηκε σε τροχιά εκπληρώνοντας την αποστολή του. Με αυτόν τον τρόπο, η πρώτη απόπειρα παράδοσης ενός τελικού μοντέλου προς εκτόξευση (σε επίπεδο υποσυστήματος) θεωρείται επιτυχής καθώς ολόκληρο το σύστημα (και έτσι το δομικό υποσύστημα) χαρακτηρίστηκε ως flight proven.Το επόμενο βήμα, ήταν ο σχεδιασμός μιας ολοκληρωμένης διαστημικής αποστολής (UPSat) από το μηδέν, παραδίδοντας ένα πλήρως συναρμολογημένο, δοκιμασμένο και λειτουργικό νανο-δορφόρο διπλής δομής (Double-Unit CubeSat), στο πλαίσιο του Ευρωπαικού προγράμματος FP7-QB50. Οι ίδιες σχεδιαστικές αρχές εφαρμόστηκαν και σε αυτή την αποστολή, αναφορικά με το υποσύστημα της δομής, δημιουργώντας ξανά ένα «υβριδικό» σχέδιο με χρήση τόσο αλουμινίου αλλά και σύνθετων υλικών. Ο σχεδιασμός βασίστηκε στη χρήση σύνθετων υλικών ως πρωτεύον δομικό στοιχείο, τόσο για τη μείωση της μάζας και την ενίσχυση της δομικής ακεραιότητας ολόκληρου του συστήματος καθώς και για την ευκολία πρόσβασης κατά τη διαδικασία συναρμολόγησης και ενσωμάτωσης. Ο σχεδιασμός όλων των διαφορετικών υποσυστημάτων και η διαχείριση συναρμολόγησης για την εκπλήρωση όλων των απαιτήσεων σχεδιασμού ήταν μια από τις μεγαλύτερες δυσκολίες κατά τη διάρκεια της φάσης CDR. Παρόά αυτά, το πλήρως συναρμολογημένο μοντέλο του νανο-δορυφόρου, «πέρασε» με επιτύχια, μέσω ανάλυσης με Πεπερασμένα Στοιχεία, όλα τα προβρεπόμενα φορτία εκτόξευσης και λειτουργίας (ιδιοσυχνότητες, ψευδο-στατική φόρτιση, τυχαία και ημιτονοειδής ταλάντωση, θερμικά φορτία), επιβεβαιώνοντας την δομική ακεραιότητα ολόκληρου του συστήματος και η φάση CDR έκλεισε επιτυχώς.Η διαδικασία κατασκευής και τελικής συναρμολόγησης όλων των υποσυστημάτων, πραγματοποιήθηκε στην Ελλάδα και σύμφωνα με τα πρότυπα ECSS. Ο ρόλος του υποψηφίου διδάκτορα ήταν κομβικός καθόλη την διάρκεια τηε διαδικασίας (συναρμολόγηση, πλάνο καλωδίοσης, πλάνο τεστ κ.α.). Όλα τα υποσυστήματα συναρμολογήθηκαν μέσα σε, σχετικά, καθαρό περιβάλλον (in-house clean box) και η ορθή λειτουργία όλων των ηλεκτρονικών πλακετών, επιβεβαιώθηκε με τα πρότυπα ECSS.Το συναρμολογημένο σύστημα ανταπεξήλθε επιτυχώς σε όλες τις απαιτούμενες δοκιμές, εξομοιώνοντας τα περιβάλλοντα εκτόξευσης και λειτουργίας, επιβεβαιώνοντας τα αποτελέσματα των αναλύσεων (FEA) για ένα επαρκώς ανθεκτικό σύστημα CubeSat. Όλες οι δοκιμές κατά τη διάρκεια ττων τεστ δονήσεων (εγκαταστάσεις ΕΑΒ) δεν αποκάλυψαν τυχόν δυσλειτουργίες σε επίπεδο υποσυστήματος, ενώ μόνο οπτικός έλεγχος πραγματοποιήθηκε για την επαλήθευση της άριστης κατάστασης των εξωτερικών εξαρτημάτων. Για τις ανάγκες των τεστ θερμικού κενού, ένας θάλαμος TVAC σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε (AML / UPAT) και οι δύο δοκιμές επιβεβαίωσαν την κανονική λειτουργία όλων των υποσυστημάτων στις ακραίες συνθήκες που θα κληθεί να αντιμετωπίσει ο νανο-δορυφόρος κατά τη διάρκεια της αποστολής του. Η ομάδα UPSat ολοκλήρωσε τη φάση FRR και πήρε το πράσινο φως από το προσωπικό της NASA, NanoRACKS και QB50 για την παράδοση του CubeSat για τις τελικές διαδικασίες check-out και την ενσωμάτωση στα P-POD και τον πύραυλο εκτόξευσης.Συμπερασματικά, η παρούσα διατριβή απέδειξε τη δυνατότητα κατασκευής ενός ολόκληρου συστήματος τύπου CubeSat από το μηδέν. Όλα τα υποσυστήματα επανασχεδιάστηκαν, κατασκευάστηκαν και δοκιμάστηκαν στην Ελλάδα και πληρούσαν όλες τις απαιτήσεις της αποστολής QB50. Η βελτιστοποίηση κατά το σχεδιασμό για το δομικό υποσύστημα, οδήγησε σε ένα καινοτόμο σχέδιο που πληροί όλες τις απαιτήσεις και έλαβε την τελική έγκριση για εκτόξευση, σηματοδοτώντας την αποστολή του UPSat ως τον πρώτο ελληνικό νανο-δορυφόρο ανοιχτού κώδικα που μπήκε σε τροχιά.