Assembly, Integration and Testing of a Hyperspectral Imaging Payload for a 6U CubeSat

Abstract

De siste årene har det vært en økning i mengden og/eller intensiteten av algeoppblomstring utenfor den norske kysten. En måte å observere dette store, potensielt skadelige fenomenet på, er med små satellitter. HYPSO-prosjektet er et satellitt prosjekt utviklet på NTNU, med et kamera til nyttelast ombord på en 6U CubeSat, kalt CLAW-1. Nyttelasten består av et hyperspektralt kamera, et RGB kamera og en prosesseringsenhet, kalt PicoBoB. I denne avhandlingen er designet av nyttelasten som assisterer HYPSO-prosjektet validert, produsert og funksjonelt testet. Designendringer og modifikasjoner på objektivene, og spaltebeholderen og spalten for de optomekaniske komponentene er utført for å bekrefte at kameraene overlever og fungerer i det forventede romfarts miljøet.

Enkeltkomponenter, delsystemer og det totale systemet er testet til forskjellige nivåer. Nyttelastmonteringen og integreringen inn i den ytre satellittstrukturen er beskrevet, og miljøtester er utført for å forsikre om at nyttelasten møter prosjektkriteriene. Viktigheten av å validere og verifisere systemet og testene er diskutert og demonstrert gjennom denne oppgaven, ved å forbedre metodene og dokumentasjonen.

Denne oppgaven inkluderer tekniske rapporter skrevet gjennom forskningsperioden. Oppgaven beskriver det praktiske arbeidet på designet, montering og integrering, samt testprosedyrene. Dette er oppsummert i designrapporter, valideringplaner og funksjonelle testplaner, samt planer og resultater av miljøtestene. Rammeverket som presenteres vil bli brukt til å utvikle prosjektet videre.

I CubeSat-prosjekter brukes en modellfilosofi for å beskrive iterasjonene og nivåene som de fysiske modellene til romfartøyet går gjennom i utviklingsfasen. Tre modeller ble produsert i løpet av denne forskningen: Ingeniørmodellen (EM), kvalifikasjonsmodellen (QM) og modellen som vil fly (FM). QM er testet og verifisert for å fungere i det simulerte romfarts miljøet gjennom sjokk, resonans, vibrasjon og termiske vakuumtester. FM er forberedt på dette tidspunktet, men må testes til akseptnivåer, før den blir ansett som klar for oppskytning.

In recent years, there has been an increase in the amount or intensity of algal bloom outside the Norwegian coastline. One way to observe this large scale, potentially harmful phenomenon is with small satellites. The HYPSO mission is a satellite mission developed at NTNU, with an imaging payload for a 6U CubeSat, named CLAW-1. The payload consists of a HSI, a RGB and an onboard processing unit, called PicoBoB. In this thesis, the design of the payloads assisting the HYPSO mission has been validated, produced, and functionally tested. Design changes and modifications on the objectives, slittube, and slit, for the optomechanical components, were made to ensure that the imagers will survive and function in the expected space environment.

Individual components, subsystems, and the overall system have been tested according to standard CubeSat protocol. The payload assembly and integration into the satellite bus frame is described, and environmental tests have been performed to be able to ensure that the payload meets the mission requirements. The importance of validating and verifying the systems and tests are discussed and demonstrated throughout the thesis by improving methods and documentation.

This thesis includes technical reports written during the research period, which describes the practical work on the design and Assembly, Integration and Testing (AIT) procedures. This is summarized in design reports, validation and functional test plans, as well as environmental test- plans and results. The framework presented will be used to develop the project further.

In CubeSat projects, a model philosophy is used to describe the iterations and stages that the physical models of the S/C goes through during the development phase. Three models were produced during this research: the Engineering Model (EM), the Qualification Model (QM) and the Flight Model (FM). The QM has been tested and verified to function in the simulated space environment through shock, resonance, vibration, and thermal-vacuum tests. The FM is being prepared at this point but needs to be tested to acceptance levels before being deemed space-ready and launched.