Design of a Weather Satellite Antenna

Abstract

The purpose of this project is to design a weather satellite antenna. This antenna will track weather satellites in low earth orbit from horizon to horizon. The end product will be a fully functional model where static and dynamic simulations can be performed to determine the pointing accuracy.

The author was first introduced to a similar project for Kongsberg Defense and Aerospace (KDA) in the autumn of 2009, and then continued the work as a master thesis during the spring of 2010. The work has been carried out at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU), at the faculty of Engineering Science and Technology, department of Engineering Design and Materials.

The work has included modeling in CATIA and NX, meshing and material selection in NX and finally assembling the antenna and running simulations in FEDEM.

A basic model was designed on the basis of the new product specifications from Spacetec. The design was essentially based on previous projects done at NTNU, but with smaller dimensions to accompany the smaller disc. The antenna will be situated in a radome, shielding it from wind forces. This in combination of the small disc makes for a very lightweight antenna.

In dialog with the advisors it was determined that the disc adapter and the pedestal contained the highest potential for improvement of the overall stiffness. A concept study was performed to create alternative designs which could be tested in FEDEM.

After running simulations of the basic antenna in FEDEM it was clear that the antenna was well below the specified pointing error. The specified pointing error was 0.06°, whereas the simulations showed an error of 0.0135°.

Feedback from Spacetec was that they wanted a standard pedestal if it could provide sufficient stiffness. They also wanted to use the backup structure (adapter) which they already had in stock. The above testing was done with both of these components.

As the analysis showed the pointing error being within specifications and provided minor structural stresses, the main focus was to create a simple and lightweight design. Simple design and reduced weight equals easier production, logistics and assembly.

Simulations were carried out with more and more components made of aluminium instead of steel. In the end, the prototype was made entirely of aluminium and the weight was significantly reduced without increasing pointing errors above specification. The final aluminium antenna weighed 81 kg, whereas the original in steel weighed 164kg.

By using FEDEM to isolate areas of improvement, the backup structure stood out. If added stiffness is wanted it is logical to optimize this component first.

The given 0.06° mechanical pointing error is to ensure a total pointing error under 0.19°. The total pointing error includes inaccuracies in the control system and in the assembly of the antenna. Unfortunately the control system was not available during this project and could not be tested. Under the assumption that tracking a satellite will never generate more than 2G (doubled gravity) of dynamic force, a series of tests were done with 2G.

The results from 2G testing were still under 0.06° and this implies that the antenna is stiff enough to meet the requirements from Spacetec.

Hensikten med denne rapporten er å designe en antenne som skal spore værsatellitter. Sluttproduktet skal være en funksjonell modell der statiske og dynamiske simuleringer kan bli gjennomført for å evaluere pekenøyaktigheten.

Undertegnede ble først introdusert for et lignende prosjekt gitt av Kongsberg Defense and Aerospace høsten 2009, og har fortsatt arbeidet i masteroppgaven våren 2010. Arbeidet er utført ved Norges Tekniske og Naturvitenskapelige Universitet, ved Fakultetet for Ingeniørvitenskap og Teknologi, Instituttet for Produktutvikling og Materialer.

Arbeidet har inkludert modellering i CATIA og NX, meshing og materialvalg i NX, og til slutt sammenstilling og simuleringer av antennen i FEDEM.

En modell ble designet med utgangspunkt i kravspesifikasjonen og tidligere prosjekter gjort ved NTNU. Antennen skal stå inne i en radom og vil derfor ikke være utsatt for vindkrefter. Dette i kombinasjon med et lite speil skaper muligheter for en skikkelig lettvektsantenne.

I dialog med veiledere ble det konkludert at speiladapter og pidestallen hadde det største forbedringspotensialet i forhold til tidligere prosjekter. Et konseptstudie ble utført for å finne alternative løsninger som kunne testes i FEDEM.

Tilbakemeldinger fra Spacetec var at de ønsket et enklest mulig design, så lenge kravet om pekenøyaktigheten ble overholdt. De ønsket også å bruke backupstrukturen (speiladapter) som de allerede hadde i Tromsø.

Testing av første prototype med standard pidestall og backupstruktur viste et avvik i pekenøyaktighet på 0.0135°. Kravspesifisert pekenøyaktighet er på 0.06° og en verdi på 0.0135° betyr at antennen er overdimensjonert.

Som et resultat av den gode pekenøyaktigheten og de lave spenningene, ble fokuset å lage en virkelig lettvektsantenne med et enkelt design. Dette fører til enklere produksjon, logistikk og montering.

Simuleringer ble kjørt med komponenter i aluminium istedenfor stål. Den reduserte vekten i forhold til gode pekenøyaktigheter førte til et konsept av antennen i kun aluminium. Originalt veide antennen 164kg; aluminiumsantennen veier 81kg.

Da FEDEM ble brukt for å lokalisere komponenter med forbedringspotensial skilte backupstrukturen seg ut. Hvis økt stivhet er ønsket er det logisk å se på denne komponenten først.

Kravet om pekenøyaktighet under 0.06° er et mekanisk avvik, dette kravet eksisterer for å sikre et totalt avvik under 0.19°. Det totale avviket inkluderer unøyaktigheter som følge av styringssystemet og montasje. Dessverre var ikke styringssystemet tilgjengelig under prosjektet og kunne dermed ikke testes. En antakelse ble gjort om at sporing av satellitter aldri vil generere mer enn 2G (to ganger gravitasjonskreftene) og det ble dermed kjørt simuleringer med disse betingelsene.

Resultatene fra 2G testing viste at pekenøyaktigheten var fortsatt under 0.06° og dette impliserer at antennen er stiv nok til å imøtekomme kravene til Spacetec.