Il CubeSat stmpato in 3d per la Nasa prima della missione LEO dall’Università di Shantou

I ricercatori eseguono test di simulazione sul proprio cubo stampato in 3D prima della missione LEO

Una coppia di ricercatori dell’Università di Shantou in Cina ha esplorato la progettazione e la produzione di un CubeSat con stampa 3D , che abbiamo visto in passato . CubeSats, che sono fondamentalmente satelliti miniaturizzati, offrono numerosi vantaggi nell’esplorazione dello spazio, come basso costo, un breve ciclo di ricerca e una costruzione più leggera , ma i metodi di produzione convenzionali spesso li annullano. L’uso della stampa 3D per creare CubeSats può aiutare a ottenere dettagli precisi.

“Con il successo dello sviluppo di tecnologie integrate, molti sottosistemi di veicoli spaziali sono stati continuamente miniaturizzati e CubeSat è diventato gradualmente i principali esecutori delle missioni di esplorazione delle scienze spaziali”, hanno scritto.

Il compito principale che guida il documento di ricerca è una missione LEO, o Low Earth Orbit, CubeSat, che dovrebbe accelerare fino a un massimo di 5 g durante il lancio.

“… l’intervallo di temperatura interna di funzionamento di CubeSat è compreso tra 0 e 40 ° C, temperatura esterna tra -80 e 100 ° C”, hanno spiegato i ricercatori.

Durante il processo di progettazione, la coppia ha tenuto conto dei fattori ambientali, del carico di impatto ricevuto durante il processo di lancio e dell’ambiente circostante una volta che CubeSat ha raggiunto l’orbita. Una volta determinati i parametri specifici del progetto, il software ANSYS è stato utilizzato per simulare, analizzare e verificare la fattibilità del progetto.

Il PLA è stato utilizzato per realizzare il mini satellite, che ovviamente ha la forma di un cubo. Ogni cella a cubo, chiamata unità, pesa circa 1 kg e ha i lati di 10 cm di lunghezza.

“La struttura del framework per un singolo CubeSat fornisce uno spazio di lavoro interno sufficiente per l’hardware necessario per eseguire CubeSat. Sebbene esistano vari progetti di strutture CubeSat, è possibile trovare diverse linee guida di progettazione coerenti confrontando questi CubeSat ”, hanno scritto i ricercatori sulla struttura del loro CubeSat.

Queste linee guida includono:

un cubo con una lunghezza laterale di 100 mm
Colonne quadrate di 8,5 x 113,5 mm disposte su quattro angoli paralleli
di solito in alluminio per lavorazioni economiche, leggere e facili
Il CubeSat deve essere abbastanza grande da contenere il suo sottosistema di alimentazione (batterie secondarie e pannelli solari), oltre al sottosistema termico di vitale importanza, il sistema di comunicazione per fornire collegamenti di segnale alle stazioni di terra sulla Terra, ADCS e sottosistemi CDH. Comprende anche antenne di bordo, radio, circuiti stampati, un sistema di stabilità a tre assi e software di navigazione autonomo.

“L’adozione di questa tecnologia cambia il concetto di struttura primaria e secondaria nel processo di progettazione tradizionale, poiché l’intera struttura può essere prodotta contemporaneamente, il che non solo riduce il numero di parti, riduce la necessità di viti e adesione, ma migliora anche la stabilità dell’intera struttura ”, ha scritto la coppia sull’uso della stampa 3D per costruire il CubeSat.

La panoramica della missione per questo CubeSat stampato in 3D spiega che il dispositivo deve completare i test delle prestazioni sul carico utile della fotocamera per la valutazione dell’affidabilità e testare l’efficacia di tutte le strutture stampate in 3D “in un ambiente orbitale”.

Al fine di garantire che sia pronto per operare in LEO, le strutture del CubeSat sono state analizzate utilizzando il software FEA (ANSYS) per l’analisi agli elementi finiti e i ricercatori hanno anche effettuato un’analisi casuale delle vibrazioni, in modo che possano essere certi che reggerà sotto il carico d’impatto del lancio.

“La struttura di CubeSat è validata dall’esperimento numerico. Durante il processo di avvio, CubeSat verrà riparato all’interno del P-Pod e i corrispondenti vincoli strutturali dovrebbero essere aggiunti al modello numerico. Inoltre, si dovrebbe considerare anche il massimo impatto di accelerazione durante il processo di lancio. Il modulo strutturale statico di ANSYS viene utilizzato per il calcolo e l’analisi, i risultati mostrano che la sollecitazione massima di CubeSat Structure è di 8,06 MPa, inferiore alla forza di snervamento del PLA di 40 Mpa ”, hanno spiegato i ricercatori.

Funzionando con LEO, il CubeSat stampato in 3D subirà un cambiamento di temperatura di 100 ° C e la struttura deve essere in grado di resistere a questo, quindi i ricercatori hanno anche condotto un test di shock termico, che ha mostrato una deformazione termica accettabile.

Il team ha anche condotto esperimenti casuali di simulazione delle vibrazioni, in modo da poter conformare la struttura del CubeSat stampato in 3D alle condizioni di emissione. Hanno simulato le caratteristiche tipiche delle vibrazioni di lancio, usando la qualificazione e l’accettazione della NASA GEV come riferimento.

“I contenuti specifici dell’esperimento includono” risposta armonica “e” vibrazione casuale “. Due e identiche risposte armoniche sono state eseguite prima e dopo il test di vibrazione casuale per valutare il grado di degrado strutturale che può derivare dal carico di lancio “, hanno spiegato i ricercatori.

“Questo esperimento ci aiuta a valutare la frequenza naturale della struttura e il valore di picco indica che il punto testato (pannello inferiore) ha raggiunto la frequenza di risonanza.”

Come si vede nella figura sopra, sia la tendenza che i punti di picco delle due curve sono vicini l’uno all’altro, il che dimostra che non vi è stato alcun degrado strutturale dopo il test di vibrazione e che la struttura stessa è conforme al lancio delle specifiche di rigidità.

“Come il principale esecutore delle odierne missioni di esplorazione dello spazio, il design di CubeSat considera orbita, carico utile, bilancio termico, layout del sottosistema e requisiti di missione. In questa ricerca, è stato proposto un progetto CubeSat per l’esecuzione di attività LEO, tra cui budget energetico, distribuzione di massa e test a terra, e la struttura CubeSat per la produzione è stata combinata con la tecnologia di stampa 3D “, hanno concluso i ricercatori.

“I risultati mostrano che CubeSat è in grado di sopportare i carichi di lancio senza danni strutturali e di soddisfare le specifiche di rigidità di lancio.”

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