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Advisor(s)
Abstract(s)
Mission planning of CubeSats can be very challenging due to their mass, volume and power constraints.
In addition, the majority of CubeSat projects are done at a University level, which can
also mean constraints in terms of budget. In order to guarantee the mission’s success, several
aspects must be studied prior to launch. Firstly, it must be assured that the satellite has enough
accesses to the desired ground stations in order to establish communications while in orbit. However,
to keep the satellite operational power generation is required. The profile of power generation
varies throughout the year and is heavily dependent on the CubeSat’s orbit. Thus, it is crucial to
assess the power generation for a long period in order to guarantee the operation of the satellite
and help set limits for systems design and hardware selection. The constraints mentioned above
make use of magnetorquers as the main attitude actuators, which require a study of the Earth’s
magnetic field in order to compare the generated torques with the perturbative torques inherent to
the space environment. Another concern are temperature limits of the components, therefore, the
temperatures experienced by the satellite in orbit must be computed and decisions must be taken
to allow for the mission’s success. As in the previous analysis, the dynamic behavior of the CubeSat
under launch conditions can also draw the line between success and failure. This work describes the
steps taken in order to simulate all the aforementioned aspects for the computed mission lifetime,
in order to mitigate inherent risks and guarantee mission success for ORCA2Sat, a two unit Cube-
Sat. The simulations were done through pertinent finite elements models and space environment
computational models, for a deployment from the International Space Station. It was proved, with
this comprehensive mission analysis, that for the studied critical factors ORCA2Sat’s mission can
be accomplished for the desired period of time, keeping the satellite operational throughout its life
in orbit.
O planeamento de missões de CubeSats pode ser bastante desafiante devido às suas restrições de massa, volume e energia. Além disso, a maioria dos projetos de CubeSats são a nível universitário, o que pode também significar restrições de orçamento. De modo a garantir o sucesso da missão, vários aspetos devem ser estudados antes do lançamento. Primeiramente, deve-se certificar que o satélite tem tempos de acesso suficientes às estações em solo desejadas de modo a estabelecer comunicações enquanto em órbita. Contudo, para manter o satélite operacional, é necessário gerar energia. O perfil da produção de energia varia ao longo do ano e é profundamente dependente da órbita do CubeSat. Portanto, é crucial avaliar a produção de energia durante um longo período de modo a garantir a operação do satélite e ajudar a definir limites no design de sistemas e seleção de componentes. As restrições mencionadas acima fazem com que sejam usados magnetorquers como principais atuadores de atitude, os quais requerem um estudo do campo magnético da Terra de modo a comparar os torques gerados com os torques perturbativos inerentes do ambiente espacial. Outro cuidado a ter são os limites de temperatura dos componentes, assim, é necessário calcular as temperaturas experienciadas em órbita pelo satélite e decisões têm que ser tomadas para garantir o sucesso da missão. Tal como nas análises anteriores, o comportamento dinâmico do CubeSat sob condições de lançamento pode também definir a linha entre sucesso e fracasso. Este trabalho descreve os passos seguidos para simular todos os aspetos supracitados, para o tempo da missão estimado, de modo a minimizar os riscos associados e garantir o sucesso da missão do ORCA2Sat, um CubeSat de duas unidades. Simulações foram feitas através de modelos de elementos finitos pertinentes e modelos computacionais do ambiente espacial, para um lançamento desde a Estação Espacial Internacional. Foi provado, através de uma abrangente análise da missão, que para os fatores críticos estudados a missão do ORCA2Sat poder ser efetuada para o período de tempo desejado, mantendo o satélite operacional ao longo do seu tempo em órbita.
O planeamento de missões de CubeSats pode ser bastante desafiante devido às suas restrições de massa, volume e energia. Além disso, a maioria dos projetos de CubeSats são a nível universitário, o que pode também significar restrições de orçamento. De modo a garantir o sucesso da missão, vários aspetos devem ser estudados antes do lançamento. Primeiramente, deve-se certificar que o satélite tem tempos de acesso suficientes às estações em solo desejadas de modo a estabelecer comunicações enquanto em órbita. Contudo, para manter o satélite operacional, é necessário gerar energia. O perfil da produção de energia varia ao longo do ano e é profundamente dependente da órbita do CubeSat. Portanto, é crucial avaliar a produção de energia durante um longo período de modo a garantir a operação do satélite e ajudar a definir limites no design de sistemas e seleção de componentes. As restrições mencionadas acima fazem com que sejam usados magnetorquers como principais atuadores de atitude, os quais requerem um estudo do campo magnético da Terra de modo a comparar os torques gerados com os torques perturbativos inerentes do ambiente espacial. Outro cuidado a ter são os limites de temperatura dos componentes, assim, é necessário calcular as temperaturas experienciadas em órbita pelo satélite e decisões têm que ser tomadas para garantir o sucesso da missão. Tal como nas análises anteriores, o comportamento dinâmico do CubeSat sob condições de lançamento pode também definir a linha entre sucesso e fracasso. Este trabalho descreve os passos seguidos para simular todos os aspetos supracitados, para o tempo da missão estimado, de modo a minimizar os riscos associados e garantir o sucesso da missão do ORCA2Sat, um CubeSat de duas unidades. Simulações foram feitas através de modelos de elementos finitos pertinentes e modelos computacionais do ambiente espacial, para um lançamento desde a Estação Espacial Internacional. Foi provado, através de uma abrangente análise da missão, que para os fatores críticos estudados a missão do ORCA2Sat poder ser efetuada para o período de tempo desejado, mantendo o satélite operacional ao longo do seu tempo em órbita.
Description
Keywords
Análise da Missão Análise Dinâmica Análise Térmica Campo Magnético Cubesat Estação Espacial Internacional Sistema de Energia Tempo de Acesso