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

Abstract

Denne oppgaven presenterer utviklingen av et hyperspektralt kamera og tilhørende nyttelast ombord på en 6U CubeSat eid av HYPSO prosjektet. Avhandlingen tjener som omslag for en pakke med tekniske rapporter skrevet i forskningsperioden. Rapportene gir en detaljert beskrivelse av designprosessen, tester, analyser og simuleringer som er gjort for a utvikle nyttelastene. Det hyperspektrale kameraet ble bygget basert på en prototype designet av Fred Sigernes, professor i optikk og atmosfærisk forskning ved Universitetssenteret på Svalbard, i tillegg til iterativt designarbeid utført av mekanikk teamet i forbindelse med sitt spesialiseringsprosjekt.

Foreløpige mekaniske og termiske simuleringer ved bruk av NX11 ble gjennomført. Resultatene indikerte at totalstivheten til det hyperspektrale kameraet var i henhold til kravene, samtidig som operasjonstemperaturene tilstede i omløp ville nødvendiggjøre termiske styringssystemer for nyttelasten.

En funksjonell prototype av det hyperspektrale kameraet ble produsert i aluminium 6082-T6 og testet. Resultatene viste at nyttelastet kunne operere under atmosfæriske forhold, og produserte distinkte linjer som skiftet som forventet når det avbildet ulike mål. En integrasjonsanalyse ble utført på de optiske COTS-komponentene som finnes i nyttelasten. Gjennom testing ble det åpenbart at den største utfordringen knyttet til slike komponenter var utgassende materialer tilstede. Reduksjonsstrategier ble utviklet for a redusere risikoen.

En arkitektonisk analyse ble brukt til a bestemme de forskjellige layoutalternativene i CubeSat’en. Et alternativ, med plass til hver komponent ble valgt. Dette alternativet krevde et tilpasset mekanisk grensesnitt for SDR nyttelasten. Grensesnittet ble designet og simulert. Resultatene indikerte at designets mekaniske integritet var tilstrekkelig.

En demperløsning for det hyperspektrale kameraet ble laget i samarbeid med det franske selskapet SMAC. Løsningen ble ikke utviklet ferdig, men kan fungere som et grunnlag for fremtidige demperløsninger.

De tekniske rapportene presenterer foreslatte 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 and the associated payloads onboard a 6U CubeSat owned by the HYPSO project. The thesis serves as a cover for a package of technical reports written during the research period. The reports provide a detailed description of the design process, tests, analyses and simulations done to develop the payloads. The design of the hyperspectral imager was built upon a prototype designed by Fred Sigernes, Professor in Optics and Atmospheric Research at The University Centre In Svalbard, in addition to iterative design work done by the mechanics team for their specialization project. Preliminary mechanical and thermal simulations using NX11 were preformed. The results indicated 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.

A functional prototype of the hyperspectral imager payload was produced in aluminium 6082-T6 and tested. The results showed that the payload could operate in earth conditions, producing distinct spectral lines that shifted in a predicted manner when imaging different targets. An integration analysis was conducted on the optical COTS components present in the payload. Throughout testing it became obvious that the largest challenge related to such components were the potentially mission critical outgassing materials present inside. Mitigation strategies were developed to reduce the risk.

An architectural layout analysis was conducted to determine the different layout options inside the CubeSat. A layout that has room for every component was chosen. However, the layout necessitated a custom mechanical interface for the SDR payload. The interface was designed and simulated, and the results indicates that the mechanical integrity of the design would be appropriate.

A layout design for a dampening solution for the hyperspectral imager was created in association with the french company SMAC. While the solution is a work-in-progress, it can function as a basis for future dampening solutions.

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.