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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Magnetohydrodynamics/Electrohydrodynamics CubeSat Experiment (MECSE) is the first Cube-
Sat being developed at the University of Beira Interior (UBI) and it is an under development
Nanosatellite resulting from the collaboration between C-MAST (Center for Mechanical and
Aerospace Science and Technologies) and CEiiA (Centre of Engineering and Product Development).
MECSE’s mission is to create a benchmark for the future validation of the theory that an
Electromagnetic field can re-shape the layer of plasma surrounding a spacecraft, and therefore
allow communications during the so-called atmospheric re-entry Radio Frequency (RF) blackout
phase.
When it comes to scientific space research there is a need to create a bridge between the scientific
goals and the engineering feasibility. In order for the mission to take shape, the development
of the product CubeSat shall meet scientific requirements as well as production limitations
and space regulations. This master dissertation aims to preliminarily develop MECSE’s Mechanical
Subsystem. In this work, a Mechanical Subsystem configuration that ensures the structural
reliability during launch, as well as on orbit was developed.
The approach adopted for the design of MECSE’s Mechanical System was to, first, define the
different project requirements, and then, COTS hardware components were selected based
on similar previous missions and their requirements were specified. The project also presents
Design Requirements that were specified based on the CubeSat Design Specifications, and the
launch platform P-POD. Finally, the materials for the primary structure of the CubeSat had to
be selected. A trade-off was performed comparing several material properties (e.g. thermal
conductivity, electrical conductivity, workability and others) and the aluminum alloy 7075 T6
was chosen.
The spacecraft must sustain a set of mechanical loads without permanent deformation, with a
certain margin of safety to prevent the uncertainties in the loading values during launch. A finite
element analysis validated the capacity of MECSE to sustain the linear static loads and static
temperature during launch and on-orbit.The components were evaluated and, with exception of
the Side Frames, the primary structural components should have their thickness reduced, since
they presented high margins of safety to stress and strain.
The thermal impact study showed that the subsystems will have their envelope of operations
conditioned by the angle between the orbit plane and the solar vector. In order to increase the
envelop of operations it was recommended the use of aerogel.
Magnetohydrodynamics/Electrohydrodynamics CubeSat Experiment (MECSE) é o primeiro Cube- Sat a ser desenvolvido na Universidade da Beira Interior (UBI), resultando da colaboração do C-MAST (Centro de Ciências e Tecnologia Mecânica e Aeroespacial) e o CEiiA (Centro de Engenharia e Desenvolvimento de Produto). A missão do MECSE é criar uma plataforma para a futura validação da teoria que afirma que um campo electromagnético permite diminuir a espessura da camada de plasma e, como tal, permitir comunicações durante a reentrada atmosférica, evitando a chamada fase de blackout. De modo a dar forma à missão, foi necessário o desenvolvimento do produto CubeSat que respeite os requisitos ciêntificos bem como as limitações de produção e regulação espacial, promovendo assim a viabilidade técnica. Esta dissertação de mestrado tem como objectivo o desenvolvimento preliminar do Subsistema Mecânico do MECSE, cuja configuração assegura a fiabilidade estrutural durante o lançamento e em órbita. A abordagem adotada para o design do Subsistema Mecânico do MECSE foi a de primeiro definir os diferentes requisitos de projeto. Depois da definição dos subsistemas necessários, os componentes e respectivos requisitos de hardware foram escolhidos com base em missões semelhantes. O projeto também apresenta requisitos de design que foram estabelecidos tendo por base as especificações de design de Cubesats e as especificações da plataforma de lançamento P-POD. Depois da definição de requisitos, o material para a estrutura primária foi escolhido. Um estudo de trade-off foi realizado em que se comparou várias propriedades dos materiais (p.ex condutividade térmica, condutividade elétrica, maleabilidade, entre outros) e a liga de alumínium 7075 T6 foi a escolhida para a estrutura primária do MECSE. A aeronave deve resistir a um conjunto de cargas mecânicas sem deformar permanentemente com uma determinada margem de segurança devido às incertezas do valor associado às cargas durante o lançamento. Análises em elementos finitos validaram a capacidade do MECSE em resistir às cargas estáticas lineares e às temperaturas estáticas durante o lançamento e em órbita. Os componentes foram avaliados e foi concluído que todos os componentes com exceção das Side Frames deveriam ter a sua espessura reduzida, pois apresentavam uma margem de segurança alta para tensão e deformação. Um estudo de impacto térmico foi realizado e foi possível concluir que os subsistemas terão o seu envelope de operação condicionado pelo ângulo entre o plano de órbita e o vetor solar. De forma a aumentar o envelope de operações, é recomendada a aplicação de aerogel.
Magnetohydrodynamics/Electrohydrodynamics CubeSat Experiment (MECSE) é o primeiro Cube- Sat a ser desenvolvido na Universidade da Beira Interior (UBI), resultando da colaboração do C-MAST (Centro de Ciências e Tecnologia Mecânica e Aeroespacial) e o CEiiA (Centro de Engenharia e Desenvolvimento de Produto). A missão do MECSE é criar uma plataforma para a futura validação da teoria que afirma que um campo electromagnético permite diminuir a espessura da camada de plasma e, como tal, permitir comunicações durante a reentrada atmosférica, evitando a chamada fase de blackout. De modo a dar forma à missão, foi necessário o desenvolvimento do produto CubeSat que respeite os requisitos ciêntificos bem como as limitações de produção e regulação espacial, promovendo assim a viabilidade técnica. Esta dissertação de mestrado tem como objectivo o desenvolvimento preliminar do Subsistema Mecânico do MECSE, cuja configuração assegura a fiabilidade estrutural durante o lançamento e em órbita. A abordagem adotada para o design do Subsistema Mecânico do MECSE foi a de primeiro definir os diferentes requisitos de projeto. Depois da definição dos subsistemas necessários, os componentes e respectivos requisitos de hardware foram escolhidos com base em missões semelhantes. O projeto também apresenta requisitos de design que foram estabelecidos tendo por base as especificações de design de Cubesats e as especificações da plataforma de lançamento P-POD. Depois da definição de requisitos, o material para a estrutura primária foi escolhido. Um estudo de trade-off foi realizado em que se comparou várias propriedades dos materiais (p.ex condutividade térmica, condutividade elétrica, maleabilidade, entre outros) e a liga de alumínium 7075 T6 foi a escolhida para a estrutura primária do MECSE. A aeronave deve resistir a um conjunto de cargas mecânicas sem deformar permanentemente com uma determinada margem de segurança devido às incertezas do valor associado às cargas durante o lançamento. Análises em elementos finitos validaram a capacidade do MECSE em resistir às cargas estáticas lineares e às temperaturas estáticas durante o lançamento e em órbita. Os componentes foram avaliados e foi concluído que todos os componentes com exceção das Side Frames deveriam ter a sua espessura reduzida, pois apresentavam uma margem de segurança alta para tensão e deformação. Um estudo de impacto térmico foi realizado e foi possível concluir que os subsistemas terão o seu envelope de operação condicionado pelo ângulo entre o plano de órbita e o vetor solar. De forma a aumentar o envelope de operações, é recomendada a aplicação de aerogel.
Description
Keywords
Análises de Elementos Finitos Em Cubesats Cubesat Impacto Térmico. Magnetohydrodynamics/Electrohydrodynamics Cubesat Experiment Mecse Nanosatélite Subsistema Mecânico do Mecse