Thermal Design Analysis and Integration of a Hyperspectral Imaging Payload for a 6U CubeSat

Abstract

Denne oppgaven presenterer utviklingen av et hyperspektral kamera bestående av kommersielle off-the-shelf komponenter og tilhørende nyttelast ombord på en 6U CubeSat eid av HYPSO prosjektet. Oppgaven fungerer som et cover for en samling av tekniske rapporter skrevet under forskningsperioden. Rapportene gir en detaljert beskrivelse av design, tester og analyser utført for å utvikle og integrere det hyperspektrale kameraet i tillegg til supplementerende nyttelaster.

Det optiske designet av det hyperspektrale kameraet ble utviklet av Fred Sigernes, professor i optikk og atmosfærisk forskning ved Universitetssenteret på Svalbard. 6U CubeSat-plattformen som vil inneholde HYPSO-nyttelastene, vil bli levert av NanoAvionics.

Under utviklingen av det hyperspectrale kameraet ble en funksjonell prototype produsert, av en aluminiumslegering kjent som AA6082-T6. Prototypen ble satt sammen vellykket, og var i stand til å ta hyperspektrale bilder. Prototypen ble videre testet i forskjellige termiske forhold, som romtemperatur samt varme og kalde ekstremiteter. Fokuset forble stabilt ved romtemperatur og de kalde temperaturene testet for. Ved temperaturer over 40 grader begynte de hyperspektrale bildene å bli ufokuserte.

Mekaniske og termiske analyser ble utført på prototypen, og indikerte at totalstivheten til det hyperspektrale kameraet var over kravene, mens de operasjonelle temperaturene som var tilstede under bane rundt jorden trengte termiske styringssystemer for stabilisere nyttelasten.

De optiske kommersielle off-the-shelf komponentene som ble brukt til det hyperspektrale kameraet ble vakuumtestet. Resultatene viste tegn til kontaminasjon av linsene som måtte undersøkes nærmere. Store mengder fett ble funnet i de optiske komponentene, som en del av fokus- og blenderkalibreringsmekanismen. En integrasjonsanalyse måtte gjennomføres på komponentene for å forsikre at optisk integritet kan holdes når kameraet er i verdensrommet.

De tekniske rapportene presenterer foreslåtte designendringer og tester som må gjennomføres for a gjøre de utviklede nyttelastene klare til romoperasjoner på HYPSO prosjektets CubeSat.

This thesis presents the development of a hyperspectral imager comprising of commercial off-the-shelf components and the associated payloads onboard a 6U CubeSat owned by the HYPSO project. It serves as a cover for a compilation of technical reports written during the research period. The reports provide a detailed description of the design, tests, and analyses conducted to develop and integrate the hyperspectral imager in additional to the supplementary payloads.

The optical design of the hyperspectral imager was developed by Fred Sigernes, Professor in Optics and Atmospheric Research at The University Centre in Svalbard. The 6U CubeSat platform used to host the HYPSO payloads was provided by NanoAvionics

During the development of the launch- and space-compatible hyperspectral imager a functional prototype was produced, using an aluminium alloy known as AA6082-T6. The prototype was successfully assembled, being capable of taking hyperspectral images. Furthermore, the prototype was tested in various thermal conditions including room temperature as well as hot and cold extremities. The focus remained stable at room temperature and the tested cold temperatures, however, started becoming unfocused at 40 degrees Celsius.

Mechanical and thermal analyses were performed on the prototype, indicating that the total stiffness of the hyperspectral imager payload was above the requirements, while the operational temperatures present during orbit would necessitate thermal control systems for the payload.

The optical commercial off-the-shelf components used for the hyperspectral imager were vacuum tested. The results showed signs of contamination of the lenses that had to be further investigated. Large amounts of grease were found inside the optical components, as part of the focus and aperture calibration mechanism. Following this, and integration analysis had to be conducted on the components to make sure optical integrity could be kept in the space environment.

The technical reports presents proposed design changes and tests needed in order to make the developed payloads ready for space operations onboard the HYPSO CubeSat.