Design, analysis and optimization of a micro-satellite for the study of lower thermosphere and re-entry conditions
Authors: Αμπατζόγλου Ανδρέας 
Published: September 2021

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.