Design av en ny og forbedret ramme til en 2U CubeSat

Abstract

Denne bacheloroppgaven er basert på arbeidet vi har gjort for å designe en egen 2U CubeSat satellitt-ramme for Orbit NTNU. Orbit er en studentorganisasjon innen romfart som ønsker seg en lettere og billigere ramme enn rammen fra Spacemind som blir brukt i dag. For å løse problemstillingen har gruppen brukt sin kunnskap innen produktutvikling, designoptimalisering, styrkeberegninger, finite element analyser, dataassistert konstruksjon og materialvitenskap. Oppgavens struktur følger produkutviklingsmetodikken av Ulrich og Eppinger, hvor prosessen startet med å innhente all relevant informasjon for å sette rammebetingelser for designet av rammen. Designspesifikasjonene er tatt fra CubeSat Design Specification, mens de dimensjonerende belastningene rammen må tåle baseres på belastningene fra oppskytning av en SpaceX Falcon 9 bærerakett. Rammebetingelsene konkluderes med de overordnede målene om vekt og kostnad fra Orbit.

Utviklingsprosessen startet med idemylding hvor de beste konseptene ble tatt vare på og evaluert basert på fordeler og ulemper i forhold til prosjektets mål. Prosessen supplementeres med verktøy som morfologisk tabell og evalueringsmatrise. En kombinasjon av de mest lovende konseptene ble valgt ut til å bli videreutviklet i struktur- og utformingfasen. Struktur- og utformingfasen har vært en iterativ prosess hvor det ble benyttet rapid prototyping ved hjelp av dataassistert konstruksjon. Som del i denne utviklingen ble det benyttet topologioptimalisering basert på SIMP metoden for å finne måter å redusere vekten mest mulig, samtidig som tilstrekkelig styrke opprettholdes. For hver iterasjon ble det gjennomført styrkeberegninger og vibrasjonsanalyser basert på belastningene fra rammebetingelsene som brukes til begrunning av materialvalg. Videre er valg av materiale og produksjonsteknikk optimalisert etter utforming, vekt og kostnad.

Primærstrukturen til rammen består av en hovedenhet og to endeplater. Hovedenheten til rammen konstrueres av en kvadratisk ekstrudert profil med dimensjonene 100 x100 x 2 [mm] i 6061 T6 legert aluminium, mens endeplatene konstrueres av to 100 x100 x15 [mm] plater i 7075 T6 legert aluminium. Alle konturene blir utformet av fresing og boring. Ved å utnytte konvensjonelle bearbeidingsmetoder og tilgjengelige materialer som ikke er sterkere enn nødvendig, reduseres produksjons- og materialkostnader. For sekundærstrukturer kjøpes det inn standardiserte deler der det er mulig for å holde kostnadene nede, mens enkelte deler har muligheten for å bli 3D-printet med utstyr som Orbit har tilgjengelig. De forrigenevnte faktorene, kombinert med smart utforming som resultat av topologioptimalisering har ført til en ramme som teoretisk sett er 23,7% lettere enn målvekten, mens den anslåtte material og produksjonskostnad er 25% lavere enn målet.

This bachelor thesis is based on the work we have done to design a frame for a 2U CubeSat satellite for Orbit NTNU. Orbit is a student driven space exploration organization, which have tasked us with designing a satellite which is lighter and cheaper than that of the Spacemind satellite frame that they currently use. To complete this task the group has utilized their knowledge within product development, design optimalization, computer aided design, finite element analysis, and material science. The structure of the thesis follows the product development methodology by av Ulrich og Eppinger, where the process starts by collecting all the necessary data to be able to create a guideline for which the frame’s design must adhere to. The design specifications are taken from the CubeSat Design Specifications, while the loads that the frame has to endure are based upon the loads experienced under launch of a SpaceX Falcon 9 launch vehicle. On top of that, the frame has to fall within the weight and price limit set by Orbit.

The development process starts with brainstorming, where only the best concepts are kept and evaluated based on their pros and cons regarding the goals of the project. The process is supplemented with tools like morphological tables and evaluation matrixes. A combination of the most promising concepts are chosen to be further developed in the structure and design phase of the project. The structure and design phase has been an iterative process where the group utilized rapid prototyping in combination with computer aided design. This was complemented by topology optimalization based on the SIMP method to find ways to reduce the weight of the frame as much as possible while maintaining adequate structural integrity. Strength and vibration analyses based on the design guidelines were conducted after every iteration. Meanwhile, material and production methods are chosen to optimize strength, weight and price based on the design of the frame.

The primary structure consists of a main unit and two end plates. The main unit is constructed from a quadratic 100 x 100 x 2 [mm] extruded profile, while the two end plates are constructed from two 100 x 100 x 15 [mm] slabs of 7075 T6 aluminum. All contours are formed by both milling and boring, which can be done by using the same machinery. By utilizing conventional processing methods and commonly available materials, the production and material costs are minimized. By using as many standardized parts as possible, we are able to keep down the costs of secondary structures. To further keep costs down, some secondary structures are designed to be 3D-printed with equipment that Orbit already has access to. These previously mentioned factors, combined with a smart design as a result of topology optimalization has lead to a reduction in weight of 23,7%, and a 25% reduction in costs compared to the target values.