1. No category

ISRN-UTH-INGUTB-EX-M-2015/10-SE
Examensarbete 15 hp
Juni 2015
Modulär Mekanikstruktur för
Nanosatelliter
Carl-Oscar Helleblad Nymo
Joakim Skarpsvärd
Abstract
Modular Mechanical Structure for Nanosatellites
Carl-Oscar Helleblad Nymo & Joakim Skarpsvärd
Teknisk- naturvetenskaplig fakultet
UTH-enheten
Besöksadress:
Ångströmlaboratoriet
Lägerhyddsvägen 1
Hus 4, Plan 0
Postadress:
Box 536
751 21 Uppsala
Telefon:
018 – 471 30 03
Telefax:
018 – 471 30 00
Hemsida:
http://www.teknat.uu.se/student
The objective of this thesis was to present a design proposal on a modular mechanical
structure for a nanosatellite. The size of the structure should follow the CubeSat
standards. This standard divides satellites in units (U), where 1U is equivalent to a
cube where sides measure 100 mm. 2U corresponds to the same volume and size as
2 assembled 1U structures, and so on. The focus was to develop a structure in the
order of 3U and 6U.
At the integration in the satellite launch rocket, there are a couple of different
interfaces, where the structure is adapted to common ones; P-POD and CSD. To
adapt the structure between both of them was part of the challenge.
Most of the work consisted of concept generation and computer aided design. A
literature study with focus on earlier work, modularity, materials and robust
construction was also carried out. The finished structure was tested with digital tools
against some of the strains that satellites are exposed to, with good results. The
structure´s modularity consists of relatively free mounting of the payload, and that the
transition between the different interfaces and sizes takes place in a smooth manner.
According to the requirement specification all applicable objectives where achieved,
except the weight criteria on the 3U-structure for CSD that exceeded it by 45 grams.
A brief competitive analysis was carried out which showed positive results. A couple
of the recommendations for further work was to perform a proper cost analysis and
the manufacturing of a prototype for further assessments.
Handledare: Mattias Örth
Ämnesgranskare: Lars Degerman
Examinator: Claes Aldman
ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2015/10-SE
I
Sammanfattning
Konstruktioner i rymdmiljö har tidigare varit ett område exklusivt för nationella
och internationella organisationer samt företag med stora vinstsyften. Detta beror
på den stora kostnad och osäkerhet det medför att skicka upp satelliter och farkoster
i omloppsbana runt jorden. På senare tid har en ny marknad vuxit fram för små
satelliter i storleksordningen under 10 kg. Dessa lämpar sig väl för kortare forskningsuppdrag där universitet, mindre företag och privatpersoner med ett intresse i
rymdmiljö kan investera. Detta har inte gått obemärkt förbi diverse aktörer som
börjat slå sig in på marknaden.
Examensarbetets uppdragsgivare var ÅAC Microtec AB, som sedan tidigare arbetat
med miniatyriserade och robusta elektroniksystem för satelliter, avsåg genomföra ett
projekt med målet att ta fram ett förslag på mekanikstruktur för en sådan satellit.
Strukturens huvudsakliga syfte är att ta upp de mekaniska krafter som satelliten
utsätts för, leda bort och fördela värme, tillhandahålla ett mekaniskt gränssnitt
mellan satelliten och utlösningsanordningen, verka som ett robust gränssnitt och
skydd för montering av komponenter på önskat sätt, och att minimera avståndet
mellan satellitens tyngdpunkt och geometriska centrum.
Målet med examensarbetet var att presentera ett utarbetat konstruktionsförslag
på en modulär mekanikstruktur. Storleken på satelliten ska följa standarden för CubeSat. Denna standard delar upp satelliten i units (U) där 1U motsvarar en kub
med sidan 100 mm. 2U motsvarar samma volym och storlek som 2 ihopsatta 1Ustrukturer o.s.v. Arbetets fokus låg i att ta fram en struktur i storleksordningen 3U
och 6U.
Vid integration i satellitens uppskjutningsraket nns det ett par olika gränssnitt,
där den framtagna strukturen är anpassad efter två vanliga sådana; P-POD och
CSD. Skillnaden mellan dem var en del av utmaningen.
Huvuddelen av arbetet bestod av konceptgenerering och datorstödd konstruktion.
En litteraturstudie med fokus på tidigare arbeten, modularitet, material, och robust konstruktion genomfördes också. De färdiga strukturerna testades med digitala
verktyg mot några av de påfrestningar som satelliter utsätts för, med goda resultat.
Konstruktionens modularitet ligger i relativt fritt montage av nyttolast, samt att
övergången mellan de olika gränssnitten och storlekar sker på ett smidigt sätt.
Enligt framtagen kravspecikation uppnåddes alla applicerbara mål, förutom på
3U-strukturen för CSD som överskred viktkriteriet med ca 45 g. En kort konkurrentanalys genomfördes vilket visade på positiva resultat. Inför fortsatt arbete rekommenderades att en reell kostnadsanalys genomförs och en prototyp tillverkas för
vidare bedömningar.
Nyckelord: CSD, CubeSat, Konstruktion, Modularitet, Nanosatellit, P-POD
II
Förord
Som avslutning på Högskoleingenjörsprogrammet i Maskinteknik, vid Uppsala Universitet, har ett examensarbete genomförts i samarbete med ÅAC Microtec AB,
vilket denna rapport är resultatet av. Examensarbetet genomfördes under våren
2015.
Vi vill börja med att tacka Mattias Örth och ÅAC Microtec AB för möjligheten
att få genomföra ett examensarbete som behandlar produktframtagning i en intressant bransch, vilket har varit mycket intressant och givande.
Stort tack till vår ämnesgranskare Lars Degerman, programansvarig på Maskiningenjörsprogrammet vid Uppsala Universitet, för sitt engagemang under utbildningens
gång.
Uppsala, juni 2015
Carl-Oscar Helleblad Nymo & Joakim Skarpsvärd
III
Innehåll
1
Inledning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.1
Bakgrund
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Problembeskrivning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2.1
Allmänna krav
1.2.2
Krav på modularitet
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1
1.2.3
Krav för CSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.2.4
Krav för P-POD
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.2.5
Mekaniska tester
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2.6
Ekonomiska krav
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.3
Mål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.4
Metodik
3
1.5
Avgränsningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2
Teori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.1
Standarder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.1.1
Formfaktorn CubeSat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.1.2
CubeSat Kit PCB (Printed Circuit Board) Specication
6
2.1.3
Poly Picosatellite Orbital dispenser (P-POD) . . . . . . . . . .
6
2.1.4
Canisterized Satellite Dispenser (CSD)
7
2.2
2.3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .
. . . . . . . . . . . . .
Tidigare projekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.2.1
CubeSat-baserade projekt
7
2.2.2
Projekt utanför CubeSat-standarden
Modularitet
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
10
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
2.3.1
Modulära produkter
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2
Funktionsbaserad modularitet . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
2.3.3
Applicering på satelliter
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
2.4
Robusthet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
2.5
Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
2.6
Viktiga parametrar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3
Koncept
19
3.1
Första koncepten
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
3.1.1
Detaljskisser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
3.1.2
Koncept 1: Meccano
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
3.1.3
Koncept 2: Byrålådan
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
3.1.4
Koncept 3: 3U-enhet
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
3.1.5
Koncept 4: Skenfri
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
3.1.6
Koncept 5: Påbyggnadsringar
3.2
Jämförelse av koncept
3.3
Förbättrade koncept
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
3.3.1
Gångjärn
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
3.3.2
Skenfri 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
3.3.3
Påbyggnadsringar 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
3.3.4
Meccano 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
3.4
Utvärderingsmatris
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
3.5
Slutgiltigt koncept
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
3.5.1
Sammanslagningen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
3.5.2
Hyllplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
IV
4
Resultat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
5
Detaljkonstruktion
5.1
Basplatta
5.2
5.3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
5.1.1
Dimensioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
5.1.2
Beskrivning av detalj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
Ovansida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
5.2.1
Dimensioner för 6U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
5.2.2
Dimensioner för 3U CSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
5.2.3
Dimensioner för 3U P-POD
36
5.2.4
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Beskrivning av detalj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
Kortsida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
5.3.1
Dimensioner för 6U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
5.3.2
Dimensioner för 3U CSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
5.3.3
Dimensioner för 3U P-POD
37
5.3.4
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Beskrivning av detalj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
5.4
Hyllplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
5.5
Infästningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
6
Analys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
6.1
Materialval
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
6.2
Hållfasthet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
6.2.1
Egenfrekvensanalys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
6.2.2
Statisk spänningsanalys
43
6.3
Tillverkningskostnad
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
6.3.1
6U CSD-struktur
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
6.3.2
3U CSD-struktur
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
6.3.3
3U P-POD-struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
6.4
Producerbarhet
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
6.5
Konkurrentanalys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
7
Slutsatser och Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
8
Rekommendationer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
9
Referenser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
V
Figurer
1.1
1.2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
4.1
4.2
4.3
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
6.1
6.2
Nyttolast för CSD och CSD-kontakt . . . . . . . . . . . . .
P-POD - hela dispensern t.v. och insidan t.h. . . . . . . . .
CSD-dispenser och xeringspunkter . . . . . . . . . . . . .
Konstruktion enligt McNutt (2009) . . . . . . . . . . . . .
Modulär 3U-struktur enligt Cihan et al (2011) . . . . . . .
ISIS 3U och 6U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3U och 6U från Pumpkin Inc. (2014) . . . . . . . . . . . .
Struktur enligt Anubhav et al (2003) . . . . . . . . . . . .
Struktur enligt Spencer & Willingham (2012) . . . . . . . .
Struktur enligt Chandramouli & Gulati (2012) . . . . . . .
Lösa skisser sida 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lösa skisser sida 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Generell hyllplanslösning . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Meccano med hyllplanslösning . . . . . . . . . . . . . . . .
Lådmodul med montageplatta . . . . . . . . . . . . . . . .
Monteringsplatta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sprängvy av 3U-enhet t.v. och montering av 6U-enhet t.h. .
Skenfri sprängskiss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Påbyggnadsringar sprängskiss . . . . . . . . . . . . . . . .
Gångjärn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Skenfri 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Påbyggnadsringar 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Meccano 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Obockat hyllplan i plåt till Meccano 2.0 . . . . . . . . . . .
3U för P-POD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3U för CSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6U för CSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Basplattans prol- och översiktsbild. . . . . . . . . . . . . .
Ovansidans prol- och översiktsbild . . . . . . . . . . . . .
Kortsida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kontakturskärning i kortsidan . . . . . . . . . . . . . . . .
De första hyllplanen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hyllplan 6U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Illustration av kabeldragningsutrymmet i 6U-strukturen . .
Hyllplan 3U för CSD och P-POD . . . . . . . . . . . . . .
Spänningsförhållanden för 6U. . . . . . . . . . . . . . . . .
Deformation för 6U. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .
2
. . . . . .
3
. . . . . .
7
. . . . . .
8
. . . . . .
8
. . . . . .
9
. . . . . .
10
. . . . . .
11
. . . . . .
12
. . . . . .
12
. . . . . .
19
. . . . . .
20
. . . . . .
20
. . . . . .
21
. . . . . .
22
. . . . . .
22
. . . . . .
23
. . . . . .
24
. . . . . .
25
. . . . . .
27
. . . . . .
28
. . . . . .
29
. . . . . .
29
. . . . . .
30
. . . . . .
32
. . . . . .
32
. . . . . .
33
. . . . . .
34
. . . . . .
35
. . . . . .
36
. . . . . .
37
. . . . . .
38
. . . . . .
39
. . . . . .
39
. . . . . .
40
. . . . . .
44
. . . . . .
44
VI
Tabeller
2.1
3.1
3.2
3.3
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
Diverse aluminiumlegeringar . . . .
Inlednade jämförande matris . . . . .
Ny matris med Meccano som referens
Matris för vidare jämförelse . . . . .
Egenfrekvenser för 6U . . . . . . . .
Egenfrekvenser för 3U - CSD . . . .
Egenfrekvenser för 3U - P-POD . . .
Kostnad för 6U CSD-struktur . . . .
Kostnad för 3U CSD-struktur . . . .
Kostnad för 3U P-POD-struktur . . .
Matris för konkurrentanalys . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
VII
Nomenklatur
AFRL
US Air Force Research Laboratories
CAD
Computer Aided Design
CDS
CubeSat Design Specication
CSD
Canisterized Satellite Dispenser
CSK
CubeSat Kit
CVCM
Collected Volatile Condensable Materials
ESA
European Space Administration
FMV
Försvarets Materielverk
ISIS
Innovative Solutions in Space BV
JAXA
Japan Aerospace Exploration Agency
NASA
National Aeronautics and Space Administration
P-POD
Poly-Picosatellite Orbital dispenser
PCB
Printed Circuit Board
PSC
Planetary Systems Corporation
PSLV
Polar Satellite Launch Vehicle
RIA
Rapid Integration Architecture
SNSB
Swedish National Space Board
TML
Total Mass loss
1 Inledning
1
1
Inledning
Möjligheten att skicka upp satelliter i omloppsbana runt jorden har sedan slutet av
90-talet ökat markant, huvudsakligen på grund av CubeSat-standarden. Istället för
att specialtillverka satelliter och deras utlösningsmekanism, nns numera en enkel
formfaktor att följa som underlättar rymduppdrag avsevärt. Dessa satelliter kallas
för nanosatelliter på grund av deras låga tillåtna vikt, och med en volym på vanligtvis endast ett par liter medför det en relativt låg kostnad för tillverkning och
uppskjutning. Detta gör dem optimala för universitet och mindre företag att utföra
uppdrag som exempelvis mätningar och fotografering av jorden. Sedan standarden
infördes har en marknad uppstått för nanosatelliter, där man praktiskt taget kan köpa in en färdig satellit med chassi och de elektronikkomponenter som behövs (Örth,
2015).
1.1
Bakgrund
ÅAC Microtec AB (härefter ÅAC) är ett företag som är verksamma inom rymd- och
ygindustrin, närmare bestämt satelliter, och i sin tur bl.a. nanosatelliter. De hette
från början Ångström Aerospace Corporation (ÅAC), när företaget startades 2005
som en spin-o från Ångströmlaboratoriet vid Uppsala Universitet, som på tidigt
80-tal var pionjärer inom mikro-elektro-mekaniska system. I dagsläget utvecklar,
tillverkar och marknadsför ÅAC elektroniksystem för yg och rymd. De erbjuder
även satellitsystem baserade på RIA, som används vid konstruktion av små satelliter.
Kunder är bl.a. ESA, NASA, ARFL, JAXA, SNSB, FMV, samt andra ledande
industrikoncerner (ÅAC 2015).
1.2
Problembeskrivning
Examensarbetet går ut på att ta fram en modulär mekanikstruktur för nanosatelliter, med gränssnitt mot ÅACs och andra CubeSat-produkter. På företaget nns
idag ingen egenkonstruerad mekanikstruktur för integrering av deras elektronik, och
ÅAC avser därför att utreda möjligheten kring en satsning inom mekanikkonstruktion. Denna struktur ska vara ett chassi för nanosatelliter, med fokus på storlekarna
6U och 3U, där 6U är prioriterat. Tanken är att i slutändan ska denna struktur
kunna användas till eventuella framtida projekt som gäller nanosatelliter.
Strukturens syfte är att ta upp alla mekaniska krafter som satelliten utsätts för, leda bort och fördela värme, tillhandahålla ett mekaniskt gränssnitt mellan satelliten
och utlösningsanordningen, verka som ett robust gränssnitt och skydd för montering av komponenter på önskat sätt, samt att minimera avståndet mellan satellitens
tyngdpunkt och geometriska centrum.
1.2.1 Allmänna krav
Innerdimensionerna ska anpassas utefter en kretskortstandard framtagen av Pumpkin Inc (2007). Strukturen får max väga 500 g för 3U, 1000 g för 6U. Det ska gå
att skjuta upp strukturen med både P-POD och CSD som utskjutningsmekanism.
(P-POD och CSD beskrivs mer ingående i teoridelen)
1 Inledning
2
1.2.2 Krav på modularitet
Strukturen ska utformas på ett sätt som medför stor exibilitet vid montage av
komponenter, där det ska gå att montera kretskort i tre olika riktningar. Det ska
vara enkelt att skala strukturen mellan 3U och 6U för att enkelt kunna anpassa
storleken efter kundens önskemål. Dessutom ska det gå att justera hålbilder och
dylikt på modellen innan tillverkning, vilket gör det tillåtet att modulariteten ligger
i CAD, med enkla förändringar digitalt.
1.2.3 Krav för CSD
Flikar som används för xering och glidytor vid utskjutning ska löpa längs hela
nyttolasten och ska bestå till 100 % av Al 7075-T7 samt vara hårdanodiserade.
Andra legeringar med likvärdig eller högre sträckgräns kan också användas. Ingen
del av satelliten får sträcka sig utanför ikarna i dess längdriktning. Alla toleranser
ska uppfyllas oberoende av aktuell temperatur i arbetsområdet. Ytan på strukturen
som ligger an mot utlösningsplattan i CSD ska antingen bestå an en enhetlig yta
eller ha diskreta kontaktpunkter som omsluter satellitens tyngdpunkt. Ytan mot
utlösningsplattan i dispensern ska klara av en kraft på 400 N utan att hållfastheten
äventyras. Denna kraft tillfogas under start till följd av vibrationer. En Separation
Electrical Connector ska användas för strömförsörjning när satelliten benner sig
i CSD. Placeringen av denna bestäms av tillverkaren av CSD. Masscentrum för
satelliten ska ligga inom en sfär med radien 20 mm placerad i strukturens geometriska
centrum. Erfordrade dimensioner för strukturen beskrivs i punkterna 3.1.11-15 i
kravspecikationen (Bilaga 1).
Fig. 1.1:
Nyttolast för CSD och CSD-kontakt
1.2.4 Krav för P-POD
Dimensionerna ska anpassas enligt punkt 2.1.3-10 i kravspecikationen (se bilaga
1). Yttre komponenter på strukturen får inte vidröra de inre ytorna i P-POD, med
undantag av de skenor som är avsedda för ändamålet. Strukturen och dess skenor
skall vara av aluminium 7075 eller 6061. Andra material kan användas men måste
då uppfylla krav bestämda av NASA (2008). Skenorna som används som glidytor
vid utlösning av satelliten ska vara hårdanodiserade för att förhindra kallsvetsning.
1 Inledning
3
Material som används ska uppfylla utgasningskriterier enligt 2.2.4.1-2 i kravspecikationen.
Fig. 1.2:
P-POD - hela dispensern t.v. och insidan t.h.
1.2.5 Mekaniska tester
För att en struktur ska anses lämplig för skarpa uppdrag måste den genomgå en
rad tester. Ett vibrationstest ska genomföras för att säkerställa att strukturen inte
kommer hamna i självsvängning under uppskjutningsfasen. De gällande applicerbara
krav för vibration på CubeSatformatet är att strukturen inte ska ha en egenfrekvens
mellan 0-100 Hz. Testet ska genomföras för frekvenser upp till 2000 Hz. Även shocktester ska genomföras enligt uppskjutningsleverantörens krav (NASA 2014).
1.2.6 Ekonomiska krav
En maximal tillverkningskostnad för respektive storlek på satellitstrukturen sattes
av ÅAC (2015b), där 6U maximalt får kosta 20.000 SEK, och 3U maximalt får kosta
15.000 SEK.
1.3
Mål
Målet med examensarbetet är att presentera ett konstruktionsförslag på en modulär
mekanikstruktur för nanosatelliter. Detta i form av både CAD-modeller och sammantsällningsritningar, men även analyser som visar på att konstruktionen är duglig
i rymdmiljö. Dessutom ska konstruktionen vara styrd av tillverkningskostnad och
producerbarhet.
1.4
Metodik
Examensarbetet kan delas upp i fem delar, som är tänkt att utföras i ordningen
som följer, med reservation för de två sista, som av praktiska skäl kan behöva göras
samtidigt. Det kan även nnas behov av att upprepa punkt två om förbättring av
koncept blir aktuellt. De fem delarna är:
1 Inledning
4
1. Litteraturstudie
2. Konceptgenerering
3. Jämförande studie av koncept
4. CAD-modellering med FEM-analys
5. Studie i tillverkningskostnad och producerbarhet
Litteraturstudien ska genomföras först, för att ge en djupare förståelse kring nanosatelliter, som dels ska nnas som underlag för en kravspecikation för mekanikstrukturen, men även inspirera konceptgenereringen. Till stor del går detta ut på
att studera vilka standarder som gäller, så att restriktioner och begränsningar för
nanosatelliters konstruktion blir tydliga. Eftersom projektet syftar till att ta fram en
modulär konstruktion, ska även modulär design studeras, för att ge kunskap om hur
det kan appliceras på mekanisk konstruktion, med eventuella typer av gränssnitt.
Källor till litteraturstudien kommer att vara företag inom branschen och vetenskapliga publikationer. Litteraturstudien avslutas med en färdigställd kravspecikation.
Konceptgenereringen tar sedan vid, där planen är att individuellt ta fram koncept,
som inkluderar förslag på hur den modulära mekanikstrukturen kan konstrueras.
Alla koncept ska utgå från kravspecikationen, för att säkerställa att de är genomförbara.
När ertalet koncept tagits fram, ska de jämföras mot varandra och tillgängliga
konstruktioner som redan nns på marknaden. Detta ska göras med hjälp av Pughmatriser, där kriterier utifrån kravspecikationen tagits fram och viktats med skalan
1-5, där 1 inte är av särskild stor vikt, medan 5 innebär av högsta vikt. Efter första
jämförelsen, när de starka sidorna hos koncepten identierats, återgår arbetet till
konceptgenerering där de bästa koncepten ska förbättras.
Till sist ska jämförelsestudien generera två slutgiltiga koncept som ska gå vidare
till CAD, med andra ord kommer två konstruktionsförslag för mekanikstruktur tas
fram, med tillhörande sammanställningsritningar. På dessa ska även FEM-analyser
genomföras, för att ta reda på eventuella mekaniska svagheter hos dem. Analyser av
spänningsförhållanden, värmeledning och egenfrekvenser ska presenteras och bedömas utifrån kravspecikationen.
Slutligen i arbetet ska en studie i tillverkningskostnad genomföras, där de två förslagen ska utvärderas i hur de skulle kunna tillverkas, att de är möjliga att tillverka,
samt hur mycket det skulle kosta. Detta för att säkerställa en ekonomisk konstruktion, som inte kräver alltför komplicerade tillverkningstekniker. Denna studie kommer troligtvis att ske i samband med CAD, för att säkerställa att konstruerandet
inte får strukturens kostnad att skena iväg.
När hela arbetet anses vara slutfört, kommer konstruktionsförslagen att presenteras
för ÅAC, med fokus på detaljlösningar i mekanikstrukturen.
1 Inledning
1.5
5
Avgränsningar
I huvudsak kommer fokus att ligga på en konstruktion för 3U- och 6U-satelliter, där
6U prioriteras högst. En komplett konstruerad satellit, med elektronikkomponenter
och dylikt, kommer inte att visas upp, då uppgiften endast omfattar mekanikstrukturen. Detta innebär även att någon studie kring elektronik eller ingående komponenter
inte kommer att genomföras, förutom den information som berör värmeutveckling,
infästningar och andra paramaterar unikt för ÅACs produkter.
2 Teori
2
2.1
6
Teori
Standarder
För nanosatelliter nns standarder som förenklar rymdprojekt och kommersialisering. Även om det fortfarande kräver en relativt stor investering för genomförande
av rymdprojekt, har det blivit betydligt billigare i och med dessa standarder. Många
företag erbjuder idag o-the-shelf -alternativ för de ingående standardiserade komponenterna.
2.1.1 Formfaktorn CubeSat
Syftet med CubeSat var att skapa en standard för utformning av nanosatelliter, som
skulle göra rymden mer tillgänglig (framförallt for universitet), genom att reducera
kostnader och tid för utveckling. Projektet startades 1999 som ett gemensamt arbete
mellan Prof. Jordi Puig-Suari vid California Polytechnic State University (Cal Poly)
och Prof. Bob Twiggs vid Stanford University's Space Systems Development Laboratory. Projektet var ett samarbete mellan universitet, skolor, och privata företag,
som utvecklar nanosatelliter med vetenskapliga, privata, och statliga nyttolaster. En
CubeSat är en kub med sidan 100 mm, och en tillåten högsta vikt på 1,33 kg, vilket
även benämns som 1U, eller 1 enhet. Dessa kan skalas upp till större enheter, där
en 3U-satellit har måtten 30 x 10 x 10 cm, och därmed en högsta tillåtna vikt på 4
kg (Cal Poly, 2014).
Det nns även satelliter av storleken 6U, med innermåtten 34 x 20 x 10 cm, samt
ännu större med exempelvis formfaktorn 12U eller 27U, även om dessa är betydligt ovanligare, och ingen sådan har ännu skickats upp i skrivande stund (National
Aeronautics and Space Administration (NASA), 2014).
2.1.2 CubeSat Kit PCB (Printed Circuit Board) Specication
Pumpkin har tagit fram en kretskortstandard för CubeSat Kit, som förenklar montering av elektronik i nanosatelliter. Standarden säkerställer att kretskortet ryms i
CubeSats, med yttermått på cirka 90x96 mm, med en bestämd hålbild. Det baseras
på PC-104-standarden, och tillåter kretskort att staplas på varandra, och sammankopplas, med genomgående kontakter. I dagsläget har standarden blivit vedertagen,
och i princip alla tillverkare av intern elektronik för nanosatelliter följer den (Pumpkin Inc., 2007).
2.1.3 Poly Picosatellite Orbital dispenser (P-POD)
När Cal Poly tog fram CubeSat-standarden tog de även fram en utskjutningsmekanism, som rymmer 3U. P-POD är en rektangulär låda, av anodiserad aluminium,
med en lucka och en fjädermekanism inuti. De CubeSats som benner sig inuti lådan skjuts ut genom att en signal skickas från uppskjutningsfarkosten, som genom
torsionsfjädrar öppnar luckan och den inneboende fjädermekanismen tillåts sträckas
ut mot öppningen. Inuti lådan nns skenor längs med varje hörn i P-PODens längdriktning, som alla CubeSats ska ligga an mot med angivna toleranser, och som de
sedan glider längs vid utskjutning (Cal Poly, 2014).
2 Teori
7
2.1.4 Canisterized Satellite Dispenser (CSD)
Framtagen av Planetary Systems Corporation (PSC), och med storlekarna 3U, 6U,
12U, och 27U, är CSD en dispenser som klarar samma storlek som P-POD eller
större. Till skillnad från P-POD ska en satellit anpassad för CSD ha två stycken
skenor längs med hela satelliten. Dessa skenor greppas under färd, vilket gör att
satelliten alltid sitter fast i dispensern. I och med skenor som fästpunkter tillåts satelliter vara ungefär 15 % större till volymen, eller 2,5 cm längre. Vanliga CubeSats
kan anpassas för CSD genom att fästa en adapterplatta eller skenor på satelliten.
Automatisk utveckling av exempelvis solpaneler som förspänts utåt i CSD:n tillåts
genom hjul/kullager ligga an mot innerväggarna inom vissa zoner. En elektrisk kontakt åternns även längst in i dispensern, som ska kopplas samman med en motsvarande kontakt i satelliten. Den tillåter laddning under uppskjutning, samt jordning
av satelliten (PSC, 2014).
Fig. 2.1:
2.2
CSD-dispenser och xeringspunkter
Tidigare projekt
Sedan formatet för CubeSat, mer eller mindre standardiserades, har det genomförts
många arbeten på området, från att universitet tagit fram strukturer för specika uppdrag till att företag börjat erbjuda serietillverkade o-the-shelf -alternativ.
De arbeten som förefaller mest intressanta att studera är de som berör CubeSats i
storlektsordningen 3U och uppåt eftersom att när dimensionerna ökar krävs ett centralare tänk kring hållfasthet. Av skäl som nämnts tidigare har många av föregående
projekt genomförts vid universitet.
2.2.1 CubeSat-baserade projekt
Något som varit intressant med utgångspunkt i modularitet är det arbete av McNutt
(2009). Här beskrivs ett koncept av CubeSat som består av sidomoduler med gångjärn som kan byggas upp till valfri storlek enligt CubeSatstandard. Med ett fåtal
olika delar kan en CubeSat i olika storlekar byggas upp relativt enkelt. I varje sidopanel nns det även plats för ett PCB vilket gör att kubens väggar även fungerar
som ett integrerat utrymme för ett kretskort.
2 Teori
Fig. 2.2:
8
Konstruktion enligt McNutt (2009)
Ett annat arbete (Cihan et al, 2011), behandlar en modulär 3U-struktur ämnad för
ett speciellt uppdrag. Modulariteten här ligger i placeringen av nyttolasten. Systemet går ut på att kunna placera hyllplan i olika nivåer i satelliten och där igenom
fästa komponenter relativt fritt i strukturen. Den består av fyra längsgående skenor
med urfrästa spår där hyllpanen ska passa in. För kretskort som inte följer gällande
PCB-standard nns möjligheten att montera dem vertikalt med hjälp av stöd från
horisontella hyllplan. Denna metod för infästning av komponenter reducerar användningen av maskinelement med 60% enligt Cihan m (2011). Strukturen väger 560
g och följer standard för P-POD samt krav vid uppskjutning med Polar Satellite
Launch Vehicle (PSLV).
Fig. 2.3:
Modulär 3U-struktur enligt Cihan et al (2011)
Ett företag som tagit fram en struktur för multifunktionsanvändning är Innovative
Solutions In Space (ISIS). Deras produkt består av olika typer av stag, skenor,
plåtar, och hyllplan som kan skalas upp från 1U till 6U. Kretskort kan placeras både
vertikalt och horisontellt. Denna lösning kräver ett stort antal maskinelement i form
2 Teori
9
av skruvar, men 3U-varianten väger endast 270 g. Tillverkningsmetoderna för denna
modell anses som simpla vilket bidrar till en låg tillverkningskostnad (CubeSatShop,
2015).
Fig. 2.4:
ISIS 3U och 6U
Ett annat företag, Pumpkin Inc., har en produkt som består av laserskuren och bockad plåt som omsluter nyttolasten i ett enda stycke med tillägg för lock och botten av
plåt. Denna design tillämpas på strukturer från 1U till 3U och P-POD-gränssnittet.
Här är antalet delar kraftigt reducerade, men designen verkar begränsas i uppskalning på grund av stabilitetsproblem med plåtkostruktion. Istället har Pumpkin Inc.
tagit fram en 6U CubeSat för CSD vid namn Supernova. Denna struktur har, till
synes, ett mer robust gränssnitt som består av frästa aluminiumdetaljer som satts
ihop med skruvförband. Med en vikt på 1,64 kg har den förutsättningar för en robust
konstruktion (Pumpkin Inc., 2014).
2 Teori
Fig. 2.5:
10
3U och 6U från Pumpkin Inc. (2014)
Det nns även arbeten som har till syfte att analysera de faktorer som påverkar
satelliten i sin utskjutningsbehållare, men kraven för satelliten är väl denierade
från såväl Cal Poly, PSC och uppskjutningsföretagen, varför denna rapport inte
behandlar sådana externa analyser.
2.2.2 Projekt utanför CubeSat-standarden
Ett arbete, som inte följer CubeSat-standarden, har tagit fram en konstruktion i
den ungefärliga storleken av en 27U-struktur. Strukturen är konstruerad som en
kub med ungefärliga sidor på strax under 290 mm vardera, och en vikt på ungefär
6 kg, med stöd för upp till 20 kg nyttolast. Här ligger fokus på att utforma en
struktur som passar era olika uppdrag, med PCB-brickor för lite större kretskort
än PC-104. Strukturen består delvis av en bottenplatta som tillåter montering av
specika komponenter, men även upp till sju stycken kretskort av större storlek, som
inte följer någon specik standard. Detta projekt verkar något speciellt jämfört med
andra, eftersom att strukturen inte direkt utformats för ett specikt uppdrag, men
samtidigt har inte en struktur som följer någon satellitstandard på samma sätt som
CubeSat tagits fram. Strukturen verkar vara ett förslag på en standard för satelliter
i den storleksordningen (Anubhav et al, 2013).
2 Teori
Fig. 2.6:
11
Struktur enligt Anubhav et al (2003)
Vid Georgia Institute of Technology togs en mekanikstruktur för mindre satelliter
fram, som en del av en tävling kallad University Nanosatellite Program Competition.
Arbetets fokus låg i att förbättra en satellitstruktur, Prox-1, som tidigare tagits fram
till en tidigare årgång av samma tävling. Strukturen är i sig relativt modulär, med
en vikt på ungefär 13 kg utan komponenter. Några yttermått verkar dock inte ha
angivits. Konstruktionen verkar vara uppdelad i nio kuber, som har höjden 1, och
bredden och djupet 3. Inre utrymmet är uppdelat i tre jämnstora kammare där de
två yttersta i sin tur är uppdelade i tre kubiska kammare var för sig. Egenfrekvensanalyser genomfördes på konstruktionen, där dels strukturen i sin helhet undersöktes,
men även hur de olika sidorna reagerade. Det nns en del inspiration att hämta från
detta arbete, främst för att uppnå en styv konstruktion, även om den i detta fall
hade betydligt högre viktkrav (Spencer & Willingham, 2012).
2 Teori
Fig. 2.7:
12
Struktur enligt Spencer & Willingham (2012)
Ett indiskt projekt, drivet av studenter, för att mäta variationer av elektron- och
protonödet i Low Earth Orbit (LEO), tog fram en kubisk struktur, med relativt
få delar. Det fanns en angiven nyttolast, som skulle placeras på en viss plats, på
ett sätt, vilket gav dem något att konstruera strukturen utifrån. Nyttolasten hade
en angiven vikt på 8 kg, och strukturens vikt ck som högst vara 4 kg. Strukturen var kubisk, och strax under 27U-storlek precis som Anubhav et al (2013) hade
konstruerat (projekten ej relaterade).Projektets målsättning var att lyckas ta fram
en struktur med så få delar som möjligt, vilket åstadkoms genom att endast göra
de olika sidorna, utan någon slags inre stödstruktur. Efter hållfasthetsanalyser och
dylikt, fastslogs att den skulle klara av uppskjutningen och de krav som ställs för
detta (Chandramouli & Gulati, 2012).
Fig. 2.8:
Struktur enligt Chandramouli & Gulati (2012)
2 Teori
2.3
13
Modularitet
Modularitet kan beskrivas som strävan efter att identiera oberoende, standardiserade, och utbytbara enheter med syftet att tillfredställa ertalet funktioner. Modularitet kan utnyttjas inom produktdesign, designproblem, och produktionssystem,
vilket ofta är önskvärt. Kombineras dessa tre får åstadkoms en modulär designprocess för att utforma modulära produkter som produceras med hjälp av ett modulärt
produktionssystem (Kamrani & Salhieh 2008, s 207).
2.3.1 Modulära produkter
Grundidén kring modulära produkter är att dela upp en komplex produkt i mindre
delar, som var för sig är relativt simpla. Detta leder till oberoende komponenter,
som tillåts standardiseras för en förenklad produktvariation. En modulär produkt
erhålls som genom olika kombinationer av komponenter uppfyller ertalet funktioner
i de olika kongurationerna. Detta är en typ av produktarkitektur där en produkts
övergripande funktion delas in i delfunktioner som var för sig utförs av moduler
eller komponenter. I och med det uppstår en fysisk struktur som motsvarar den
funktionella strukturen helt och hållet. De ingående komponenterna i en modulär
produkt utformas så att deras funktionella, fysiska och övriga gränssnitt hamnar
inom ramarna för hur mycket de tillåts variera utifrån produktens standardiserade
gränssnitt. Genom att kombinera olika komponenter på era olika sätt, skapas ett
högt antal olika modulära produkter, där varje distinkt kombination av komponenter
resulterar i en produkt med tydliga funktioner, särdrag och prestanda (Kamrani &
Salhieh 2008, ss 207-208).
2.3.2 Funktionsbaserad modularitet
Det nns fyra olika klassiceringar för funktionsbaserad modularitet (Kamrani &
Salhieh 2008, ss 210-211):
1.
Component-Swapping:
Olika produktvarianter som tillhör samma produktfa-
milj kan skapas genom att kombinera två eller er alternativa typer av komponenter med samma basprodukt. Ett praktiskt exempel på detta är möjligheten
att bygga ihop olika typer av datorer genom att välja olika tangentbord, mus,
skärm till en och samma dator.
2.
Component-Sharing:
Genom att kombinera olika basprodukter med samma
komponent fås olika produktvariationer som tillhör olika produktfamiljer. Det
påminner väldigt mycket om komponentutbyte, med skillnaden att komponenten är densamma, medan basprodukten byts ut, och blir ett komplement till
den klassiceringen. Detta skulle i praktiken kunna vara till exempel användandet av samma mikroprocessor i olika typer av elektronikprodukter.
3.
Fabricate-to-t:
En eller era standardkomponenter används med en eller er
oändligt varierande komponenter. Med variation menas vanligtvis fysiska dimensioner som tillåts ändras. Ett bra exempel är montage av kablage, där två
kontakter kan monteras i varsin ände på kabeln oavsett hur lång den är.
4.
Bus modularity:
När en modul passar med ett antal baskomponenter denie-
ras den typen av modularitet, som tillåter baskomponenterna att variera till
2 Teori
14
antalet och placering. En vanlig persondator är ett exempel med många olika
standardiserade kontakter, som tillåter variation i både antal och placering.
2.3.3 Applicering på satelliter
En mekanikstruktur för nanosatelliter är inte en alldaglig produkt, likt exempelvis
en skruvdragare, vilket kan innebära vissa svårigheter i implementeringen av modularitet. Utifrån beskrivningen i ovanstående avsnitt kring modularitet, kommer en
mindre utredande diskussion genomföras nedan. Den består dels av kopplingar till
detta arbete, men även till tidigare arbeten. Efteråt ska det vara klart om, och hur,
modularitet kan appliceras på satelliter.
I och med att mekanikstrukturen som ska tas fram i detta examensarbete ska passa
kretskortstandarden PC-104 , nns en av de funktionsbaserade modularitetsklassiceringarna med i strukturen.
Component-Sharing
är den som, i detta fall, nns
med på grund av att kretskortet ses som den komponent som ska passa på många
olika basprodukter. Där är alla produkter förvisso satelliter, men eftersom att deras
övrigt inbyggda funktioner kan göra dem till olika produkter passar beskrivningen
väldigt bra. Det kan även påstås att
Component-Swapping
åternns, eftersom att
olika typer av kretskort, med helt olika funktioner, frikostigt kan bytas ut.
Vidare kan kopplingen till
Bus modularity
göras, eftersom att det ska nnas möjlig-
het att montera valfritt antal kretskort, på valfri plats i strukturen. Dessutom nns
kretskort enligt PC-104-standarden i en mängd olika utföranden. Det går, precis som
i beskrivningen, att montera olika baskomponenter på valfri plats och i valfritt antal.
I konstruktionen från McNutt (2009), förekommer
Component-Swapping
tydligast,
där det lämnats en hålbild för kretskort med formfaktor något mindre än PC-104.
Konstruktionens syfte är huvudsakligen att underlätta montage av komponenter, och
Fabricate-tot kan man argumentera för huruvida det nns, med anledning av att det presenteras
inte att vara så modulär som möjligt, av rapportens innehåll att döma.
en illustration som visar hur sidorna kan skalas upp från 1U, till 2U, 3U, eller 4U.
Men i och med att gränssnitten ska passa en oändligt varierande komponent är det
lite väl magstarkt att koppla konstruktionen till
Fabricate-to-t.
Enligt Cihan m (2011), som beskrivits mer ingående i 2.2.1, är det tydligt att
Bus Modularity
nns i konstruktionen eftersom att hyllplanen, som baskomponent,
kan variera till antal och placering. Även olika varianter av hyllplan, med valfri hålbild, kan monteras om det grundläggande gränssnittet är detsamma.
Efter att ha jämfört generell produktmodularitet mot tidigare satellitprojekt, där
målbilden varit en modulär mekanikstruktur, står det klart att möjligheten att applicera produktmodularitet utifrån 2.3.2 på en mekanikstruktur för nanonsatelliter
denitivt nns.
2.4
Robusthet
En parameter som alltid bör tas i beaktande vid produktframtagande är robusthet.
Variationer är något som alla produkter utsätts för under sin livstid (Bergman &
2 Teori
15
Klefsjö 2012, s 199). Vad gäller konstruktioner för rymdmiljö blir detta något ännu
mer centralt. Till exempel, om skillnaden mellan konstruktionens ideala och faktiska
dimensioner skiljer sig åt markant kan instrument visa sig vara felinriktade. Just i
rymdindustrin är detta en oerhört viktig parameter då ett litet vinkelfel kan leda
till ett felvärde på era hundra mil. Ett fel som inte kan rättas till mekaniskt. Då
uppdrag i rymdmiljö är relativt påkostade eftersträvas att eliminera eventuella oförutsedda avvikelser tidigt.
Robusthet är inte helt skiljt från modularitet. Robusthet kan syfta till att anpassa
en produkt till att användare kan nyttja produkten på olika sätt och ändå att krav
på bl.a. hållfasthet uppfylls. Just modularitet ingår i en av de kategoriseringar för
variation (störfaktorer som uppkommer utifrån) som används vid Ford Motor Company. Variationer syftar exempelvis till hur kunder använder produkter, variation i
tillverkningsprocessen och skillnad i användningsmiljö beroende på olika temperaturer, spänningar och vibrationer. Det nns diverse verktyg för att uppnå en robust
konstruktion, såsom parameterkonstruktion och försöksplanering. Dessa verktyg blir
däremot svåra att använda på en produkt vars förutsättningar är strikt denierade
enligt standard (Bergman & Klefsjö 2012, ss 199-205).
Till vissa av dessa faktorer nns god möjlighet för att minska variationskänsligheten. De störfaktorer som kan uppstå i tillverkningsprocessen härrör bland annat
från toleranssättning. Det nns olika synsätt på hur en tolerans deneras. Det klassiska synsättet är att, om ett värde är inom sin tillåtna avvikelse, är målet uppnått
och inga förluster nns. På 1950-talet konkretiserade Genichi Taguchi tankar från
början på 1930-talet som handlade om att alla värden som avviker från målvärdet
räknas som en förlust (Bergman & Klefsjö 2012, ss 206-218). Med detta tankesätt
ses konstruktionen i sin helhet, och en förståelse för hur avvikande värden påverkar
produkten . Genom att sätta ut en snäv tolerans och att undvika toleranspåbyggnad (i möjlig mån) kan totalmått uppfyllas med större noggrannhet. Hur pass nära
värden ska ligga sitt ideal beror på kundens krav samt tillverkningskostnaden för
snävare toleranser. I detta fall bör inte kundens krav kompromissas och då erhålls
således en dyrare produkt (vilket prisklassen förtäljer).
De faktorer som kan tas i beaktande i detta arbete är framförallt toleranspåbyggnad
och materialval. Att välja material som har en låg längdutvidgningskoecient kan
bidra till mindre variationer vid olika temperaturer.
Inför kommande konceptval används parametern Okänslighet för störfaktorer för
ovanstående ändamål.
2.5
Material
Ett av de viktigare besluten under produktframtagandet är materialvalet. Viktbegränsningar leder mot material med låg densitet men faktorer som hållfasthet, styvhet, termisk ledningsförmåga, utvidgningskoecient, tillverkningsbarhet, och materialkostnad spelar också en viktig roll. De specika krav som ställs på materialet
är:
•
Det ska ha bra egenskaper gällande bearbetning
2 Teori
•
16
Utvidgningskoecienten ska vara likvärdig med materialet som används i PPOD och CSD
•
Materialet ska ha en sträckgräns som överstiger det maximala värdet erhållet
i spänningsanalyser enligt Von Mises
•
Materialet bör ha en låg densitet
•
Materialet ska väljas från en lista med testade och godkända material för
rymdapplikationer framtagen av NASA (2008)
Det nns en del parametrar vad gäller material som skiljer sig vid ändamål på jorden
jämfört med i rymden. Miljön en satellit benner sig i består i princip av ingenting,
ett vakuum så när som på ett fåtal partiklar. När ett material yttas från en trycksatt miljö till en trycklös kan ett fenomen som kallas utgasning inträa. Utgasning
sker från materialets ytor som släpper ifrån sig gas och aerosoler som deponerar
och bildar en beläggning på andra ytor. Detta kan leda till att optiska instrument
tappar sin skärpa. För att undvika detta bör material som har en låg benägenhet till
utgasning väljas. Utgasning för ett visst material mäts med hjälp av värdena CVCM
(Collected Volatile Condensable Materials %) och TML (Total Mass Loss %) som
bestäms i laboratoriemiljö.
Enligt krav från dispensertillverkare är valet av material ganska avsmalnat. Både till
P-POD och CSD rekommenderas olika aluminiumlegeringar. Om andra material ska
användas måste de testas och godkännas vilket gör att det blir svårt att motivera
ett alternativt material då inga tester kan genomföras.
Materialet skall också hårdanodiseras på de ytor som är i kontakt med dispensern. Anodisering, som är en elektrokemisk ytbehandlingsmetod, genomförs för att
ge ytan en ökad härdighet mot korrision, beröringsvänliga och smutsavvisande ytor,
samt nötningsbeständighet. Den kemiska processen ger ett tjockare oxidskikt än det
naturliga vilket bidrar till dessa egenskaper (Ullman, 2003, s 282). En av strukturens
syften är att leda bort värme som bildas av nyttolasten. Därav bör ett material med
god värmeledningsförmåga väljas. Utefter de begränsade förutsättningar som nns
avgränsas materialvalet till en aluminiumlegering.
Aluminium är den metall som används mest i rymdapplikationer (Mahesh Babu
et al, 2010). Aluminium har många bra egenskaper såsom låg vikt, hög hållfasthet,
god korrisionshärdighet, hög värmeledningsförmåga, och är lättbearbetat. Däremot
har aluminium en ganska hög längdutvidgningskoecient och är rätt mjukt. Metallen härdas dock sedvanligen för att öka dess hårdhet (Ullman, 2003, s 265).
För att förbättra aluminiumets grundegenskaper legeras den med olika ämnen. Detta kan öka korrisionsbeständigheten, hållfastheten, svetsförmågan, och/eller utmattningsegenskaperna beroende på val av legeringsämnen. Några vanliga legeringsämen
är kisel, magnesium, zink, mangan, koppar, och krom.
Aluminium har i allmänhet godkända värden vad gäller utgasningsegenskaper. Legeringar innehållade större mängder zink försämrar denna egenskap. Nedan följer en
2 Teori
17
tabell som åskådliggör olika härdbara aluminiumlegeringar (Ullman, 2003, ss 285286; Tibnor AB, u.å). Kravvärden för CVCM och TML uppfylls för Al 6061, Al
6082 och Al 7075 enligt European Space Agency (ESA, 2015). Resterande legeringars värden hittas inte i databasen, men bör vara godkända i och med att 7075, med
högst zinkhalt av de uppräknade, är godkänd.
Tab. 2.1:
Diverse aluminiumlegeringar
Legering
Densitet Brott(g/cm^3) gräns
(MPa)
Sträck- Längd- Hårdhet Värmegräns utvidgnings- (HBW) ledningsförmåga
(MPa) koecient
(per °C x
W/(mˆ°C)
10^-6)
Al-2024-T6
2,80
425
485
22,7
150
134-192
Al-6061-
2,70
290
240
23,3
88
155-180
Al-6082-T6
2,71
310
340
23,1
89
167-216
Al-7020-T6
2,78
335
380
23,3
125
139-140
Al-7075-T7
2,81
435
505
23,5
150
134-175
T651
Al-2024 är legerat med bl.a. koppar som ger en hög hållfasthet men har lägre korrisionsbeständighet och svetsbarhet. Vid spånbrytande bearbetning bildas korta spiraler. Legeringen är inte lämplig vid dekorativ anodisering (Tibnor AB, u.å.).
Al-6061 är legerat med bl.a. silikon och magnesium, vilket ger den ett bra skydd
mot korrision och är enkel att bearbeta. Legeringsämnena gör också att legeringen
stärks när den åldras. Svetsbarheten är bra. Al-6061 är en av de vanligast förekommande aluminiumlegeringarna både i rymdkonstruktioner och överlag. (Tibnor AB,
u.å.).
Al-6082 har en hög hållfasthet och goda korrisionsegenskaper tack vare sin kiseloch magnesiumlegering. Svetsbarheten är bra, men denna legering är inte optimal
vid automatbearbetning där den producerar långa spånspiraler. Den används oftast
då hållfasthet och seghet är viktiga faktorer (Tibnor AB, u.å.).
Al-7020 är en zinklegering. Den har hög hållfasthet och har god svetsbarhet. Används ofta i bärande element som broar, kranar, och vägräcken. Den är inte lämplig
för spånbrytande bearbetning (Tibnor AB, u.å.).
Al-7075 är legerad med zink och koppar. Den har hög hållfasthet, men mindre bra
korrisionsegenskaper. Fungerar bra i spånbrytande bearbetning. Används mycket inom ygindustrin på grund av sin goda hållfasthet i förhållande till vikt (Tibnor AB,
u.å; Mahesh Babu et al, 2010).
2 Teori
2.6
18
Viktiga parametrar
Inför konceptgenereringen identierades en rad viktiga parametrar, i samråd med
handledaren, för bedömning av konceptens potential:
1.
Låg vikt:
Beskriver huruvida ett koncept lyckas uppfylla viktkravet, men i
och med att detta är svårt att bedöma utifrån skisser, kommer den främst att
användas som en jämförande parameter. Det innebär att man snarare bedömer
vilket av koncepten som har lägre vikt än referensen.
2.
Kort montagetid:
Denna parameter denieras som den uppskattade tiden för
att montera ihop en 6U-struktur till sin slutgiltiga konguration utan interna
eller externa komponenter.
3.
Enkelt montage:
Smidigheten i att montera komponenter och nyttolast samt
att montera själva strukturen. Detta är en väldigt ytande paramenter och
uppskattas bara efter bästa förmåga.
4.
God hållfasthet:
Denna parameter beskriver hur pass styv och hållfast kon-
struktionen kan antas vara.
5.
Modularitetsgrad:
Som beskrivits i avsnitt 2.3.2 nns vissa klassiceringar för
modularitet hos produkter. Detta används som grund i bedömningen av hur
pass modulär en struktur anses vara i förhållande till referensen.
6.
Låg tillverkningskostnad:
Detta innebär en approximering av vad strukturen
kostar att tillverka, där en uppskattning görs utifrån vilka metoder som kan
tänkas användas, samt hur lång tid det bör ta.
7.
Låg materialkostnad:
Denna parameter är hur mycket material som förväntas
gå åt för att kunna tillverka konstruktionen. Här spelar givetvis materialvalet
in, men det avgörs i ett senare skede och kommer därför inte att vara aktuellt
för parametern. Det som istället används är en uppskattning av volymen som
går åt.
8.
Få delar: I huvudsak är denna parameter till för att ju er delar som används
desto större osäkerheter uppstår, samt er bearbetningssätt. Denna parameter
bör vara lätt att bedöma eftersom att antalet delar bör framgå tydligt av
skisserna.
9.
Internt utrymme:
Detta blir en uppskattning där man utgår ifrån hur stor
den interna volymen ser ut att vara jämfört med referensen. En struktur med
tjockare väggar bör exempelvis inte rymma lika mycket.
10.
Okänslighet mot störfaktorer:
En bedömning av olika delars påverkan på to-
talmåttets variation och svårigheter i att uppnå liten produktvariation.
3 Koncept
3
19
Koncept
Konceptgenereringen utgick från kravspecikationen och genomfördes mestadels för
hand med papper och penna. Detta skedde nästan uteslutande enskilt för att inte få
tunnelseende för det till synes bästa konceptet. Detta genomfördes under två veckor
där målet var att ta fram tre utarbetade konceptförslag vardera (6 totalt) inför en
jämförande studie. Koncepten skissas i formatet 6U med skalbarhet i åtanke. Huvudsakligen har tidigare projekt, från litteraturstudien, använts som inspirationskälla
till konceptgenereringen.
3.1
Första koncepten
3.1.1 Detaljskisser
Fig. 3.1:
Lösa skisser sida 1
3 Koncept
Fig. 3.2:
20
Lösa skisser sida 2
Det skissades till en början diverse lösningar för hur allt ska sitta ihop med större
frihetsgrad än vad koncepten redogör för. Här har olika typer av strukturer ritats
upp, infästningar, och övriga förslag på vad som skulle kunna ingå i mekanikstrukturen. Tanken med detta skissande var att inte begränsa sig till något koncept, utan
att bara rita upp i princip nästa idé som dyker upp, men som ändå verkar realistiskt
i någon mån. Viss inspiration har tagits från detta till de följande koncepten. En idé
som verkade vara en smart lösning, var att implementera någon form av hyllplan i
strukturen. I gur 3.3 ritades ett förslag upp på hur det skulle kunna se ut.
Fig. 3.3:
Generell hyllplanslösning
3.1.2 Koncept 1: Meccano
3 Koncept
Fig. 3.4:
21
Meccano med hyllplanslösning
Detta koncept baseras på sex längsgående skenor som xeras mot en topp- och
bottenplatta. I strukturen ska hyllplan placeras för att möjliggöra enkel montering
och stabilitet till konstruktionen. Hyllplanen är frästa detaljer med lösa fästen som
monteras med skruvförband. Skenorna har en hålbild som gör att hyllplanen kan
monteras i bestämda intervallavstånd. Skenorna är tillverkade av aluminiumproler
vilket bidrar till lägre tillverkningskostnad. Även vertikala väggar, som fästs i de horisontella hyllplanen, ska kunna ingå. Detta för att tillåta komponenter att monteras
i två riktningar. Kompabilitet mellan P-POD och CSD sker genom att fästa ikar
för CSD på utsidan av två längsgående hörnskenor. Modulariteten ligger i CAD
för hyllplan och topp- och bottenplattor, medans skenor är desamma oberoende av
CubeSat-storlek och dispenser.
3.1.3 Koncept 2: Byrålådan
3 Koncept
Fig. 3.5:
Lådmodul med montageplatta
Fig. 3.6:
Monteringsplatta
22
Principen bakom detta koncept är att det enkelt ska gå att öppna och stänga strukturen för att möjliggöra enkel montering. Konceptet består av två huvudsakliga
delar; lådmodulen och montageplattan. Lådmodulen består av 4 sidor som monteras ihop med hjälp av inre skenor och skruvförband. Långsidorna har urfrästa spår
för snabb och enkel montering med montageplattan. Plattan består av en botten där
de esta komponenter ska monteras och en kortsida med uttag för den elektriska
3 Koncept
23
sammankopplingen i CSD. Kortsidan på plattan representerar den delen av strukturen som ska ligga an mot utlösningsplattan i CSD. På bilden syns även skenor
för xeringen i CSD vilka antingen fästs i efterhand eller består av samma del som
plattan. De större hål som syns i strukturen är till för att lätta upp konstruktionen
samt att möjliggöra åtkomst vid stängd struktur. Modulariteten ligger i CAD för
val av storlek, men kan vara mekanisk om styrskenorna på plattans bottensida fästs
i efterhand.
3.1.4 Koncept 3: 3U-enhet
Fig. 3.7:
Sprängvy av 3U-enhet t.v. och montering av 6U-enhet t.h.
Detta koncept består till synes av många delar i jämförelse med de andra. Det baseras på en konstruktion av en 3U-struktur och har sex sidor som monteras ihop
med hjälp av innerliggande hörnskenor och skruvförhand. Den inre modulariteten
är liknande med Meccano med hyllplan som kan monteras vid bestämda intervall.
Däremot saknar detta koncept möjligheten att montera komponenter vertikalt på
samma sätt som Meccano. Vertikala komponenter får istället monteras direkt på
insidan av strukturen. Strukturen skalas upp genom att en sida vardera på två
3U-strukturer tas bort, och ersätts av en ram, enligt gur 3.7. Med detta tillvägagångssätt för uppskalning antas en stor del av grundstrukturens stabilitet påverka
större kongurationer positivt. Tanken är att i princip hela strukturens modularitet
ska vara mekanisk och att gränssnitt för P-POD är integrerat i grundkonstruktionen. Flikarna som krävs för montering i CSD får monteras separat. Även här har
sidorna utskurna hål för att lätta upp strukturen utan att komprimissa bort vitala
monteringsmöjligheter.
3 Koncept
24
3.1.5 Koncept 4: Skenfri
Fig. 3.8:
Skenfri sprängskiss
Precis som namnet avslöjar ämnar detta koncept att undvika separata skenor i
hörnen för P-POD, och motsvarande för CSD. Detta ska lösas genom att två av
sidorna har ikar som sticker ut lite, och hörnen blir då helt solida. Hela strukturen
ska bestå av sex sidor, som monteras ihop med skruvförband, och insidan lämnas helt
enkelt tom. Sidorna har stora hål som är 1U, och är tänkt att ha skruvhål runtom
var och en av dessa för montage av komponenter. Enligt bilden verkar strukturen
vara rätt grov, med mycket material, vilket är något överdrivet, som ett oavsiktligt
resultat av att enklare illustrera hur strukturen faktiskt ser ut. Det här konceptet
är mycket baserat på att passa P-POD, men mindre förändringar kan göras för att
även CSD ska kunna användas.
3 Koncept
25
3.1.6 Koncept 5: Påbyggnadsringar
Fig. 3.9:
Påbyggnadsringar sprängskiss
Detta koncept är tänkt att bestå av fyra unika delar, med en bottenplatta, en
topplatta, en rektangulär tunnvägg, och hörnlist. Istället för att ha fyra väggar
som skruvas ihop, fräses alla fyra väggar ur en del. Grundidèn är att en ring med
ett identiskt gränssnitt på ovan- och undersidan, dock inverterat. Detta medför, likt
glas eller tallrikar exempelvis, ett enkelt sätt att stapla era ringar på varandra,
och det blir lätt att skala upp satelliten till önskad storlek. En möjlig nackdel med
detta koncept är att det måste fräsas bort väldigt mycket material för att få fram
påbyggnadsringarna, vilket kan göra att kostnaden för strukturen blir väldigt hög.
Däremot har den troligtvis god hållfasthet och styvhet vilket är konceptets starkaste
säljpunkt. Vad gäller väggarna är tanken det på varje vägg ska nnas valfrihet mellan
att ha ett hål om storleken 1U, eller ett rutmönster med hål. Enligt bilden passar
konstruktionen för P-POD, men skenorna kan enkelt modieras för att istället passa
CSD.
3.2
Jämförelse av koncept
Efter den första omgången av konceptgenerering genomförs en jämförelsestudie för
att bedöma vilket/vilka koncept som har potential och bör vidareutvecklas. Till
detta används en variant av Pugh-matrisen, som visar hur koncepten står sig mot
ett referenskoncept där dem bedöms utifrån de kriterier som nämns i 2.6. Dessa
kriterier har sedan viktats med ett värde från 1-5 för att belysa viktigare och mindre
viktigare egenskaper:
4 Låg vikt
3 Koncept
26
2 Kort montagetid
3 Enkelt montage
5 God hållfasthet
3 Modularitetsgrad
2 Låg tillverkningskostnad
1 Låg materialkostnad
3 Få delar
4 Internt utrymme
4 Okänslighet mot störfaktorer
Varje koncept får ett värde från tre minus (- - -) till tre plus (+++), inklusive 0, i
jämförelse med referensen beroende på hur pass bättre/sämre det anses vara. Det
innebär att en sju-gradig skala har använts vid bedömning, där ett eller era plus
innebär att ett visst koncepts egenskap är lite, medel, eller mycket bättre än referensen. Motsvarande gäller för minus, fast med bedömningen att konceptets egenskap
istället är sämre än referensen. Antalet plus multipliceras sedan med faktorvikten för
de olika kriterierna, där varje koncept får ett totalt antal plus och minus. Dierensen
mellan dem blir sedan ett tal, negativt eller positivt beroende på bedömningen, där
ett positivt innebär att ett koncept är bättre än referensen, och negativt innebär att
ett koncept är sämre.
Tab. 3.1:
Inlednade jämförande matris
Efter den första matrisen genomfördes en ny med Meccano som referens, eftersom
att den ck högst betyg.
3 Koncept
Tab. 3.2:
3.3
27
Ny matris med Meccano som referens
Förbättrade koncept
Vi valde att gå vidare med tre av de fem ursprungliga koncepten. Genom att studera
resultatet från Pughmatrisen övergick konceptgenereringen till konceptförbättring.
Syftet är att försöka förbättra de sämre aspekterna i koncepten och sträva efter
att omvandla alla negativa betyg till positiva. Även ett helt nytt koncept tillkom;
Gångjärn.
3.3.1 Gångjärn
Fig. 3.10:
Gångjärn
3 Koncept
28
Konceptet borde kanske ha varit med bland de första, men togs fram till de förbättrade istället för att vi insåg att det vore nödvändigt att utvärdera möjligheten
till gångjärn som fästtyp eftersom att tidigare projekt använt sig av det. Det är
dock inte endast gångjärn i konceptet, utan de åternns bara i sidorna, vilket gör
att botten och toppen kan vara identiska delar, men som fästs med skruvförband.
Lite inspiration togs från idén där fönster åternns i sidorna med storleken 1U, med
hålbilder kring dessa. Som åskådliggörs i bilden har sidorna 45 graders kanter vid
gångjärnen, som gör att sidorna blir vinkelräta mot varandra. Någon typ av hyllplanslösning är tänkt att implementeras i detta koncept dessutom, men ej denierat
i detalj med anledning av att det kan lösas vid ett senare tillfälle om det blir aktuellt.
3.3.2 Skenfri 2.0
Fig. 3.11:
Skenfri 2.0
Det ursprungliga konceptet såg ut att ha väldigt grovt material, och därmed en hög
vikt. I det förbättrade konceptet ritades väggtjocklek och liknande mer skalenligt,
vilket ledde till att det blev lättare att förstå hur det skulle se ut i verkligheten.
Dessutom yttades ikarna som skulle bli P-POD-hörnen till den mindre kortsidan,
vilket gör att mindre material måste fräsas ur vid tillverkningen. I övrigt förändrades inte konceptet mycket från tidigare, men något som tillkom är möjligheten att
montera hyllplan precis som i Gångjärn, även om inga hål för sådant markerats i
bilden.
3 Koncept
29
3.3.3 Påbyggnadsringar 2.0
Fig. 3.12:
Påbyggnadsringar 2.0
I denna uppdaterade version har en del stora förändringar genomförts. Det huvudsakliga, som säkert framgår av bilden, har ringen delats upp till fyra väggar istället
för att vara en och samma del. Detta på grund av insikten att fräsa bort ungefär 95
%, uppskattningsvis, skulle bli både dyrt och relativt onödigt, eftersom det säkerligen går att uppnå likvärdig hållbarhet på andra sätt. Principen för gränssnitten
mot topp och botten kvarstår dock, som är det här konceptets grundtanke.
3.3.4 Meccano 2.0
Fig. 3.13:
Meccano 2.0
3 Koncept
30
Det uppdaterade Meccanokonceptet har färre delar och lättare hyllplan. Istället för
separata skenor i hörn och på mitten av strukturen har dessa bundits samman i
samma del. Denna del kommer öka tillverkningskostnaden markant, men styvhet
och hållfasthet prioteras högre. Delen som skapats har längsgående ikar på långsidan som sträcker sig in en bit på strukturens avlånga sida. För att lätta upp
konstruktionen har hyllplanen fått en annan design. De är numer tillverkade av plåt
med bockade ikar för infästning. Topp och botten är fortfarande lite tjockare för
att bibehålla en del av styvheten som de horisontella planen bidrog med. Flikar för
CSD fästs separat.
Fig. 3.14:
3.4
Obockat hyllplan i plåt till Meccano 2.0
Utvärderingsmatris
De förbättrade koncepten, inklusive Gångjärn, genomgick ännu en Pugh-matris. Resultatet illustreras nedan.
Tab. 3.3:
Matris för vidare jämförelse
3 Koncept
31
Här valdes Skenfri 2.0 och Meccano 2.0 ut för vidare förbättringsarbete. Inför den
slutgiltiga jämförelsen visade det sig att koncepten blivit nästintill identiska. Därav
blev tillvägagångsättet att enas om ett slutgiltigt koncept med egenskaper från de
två.
3.5
Slutgiltigt koncept
Som tidigare nämnts blev Skenfri 2.0 och Meccano 2.0 väldigt lika som koncept,
och det kändes därför onödigt att ta fram två slutgiltiga lösningar med minimala
skillnader. Det slutgiltiga konceptet blev därför en kombination av dessa, där de
slogs samman till en konstruktion. Det nya arbetsnamnet på strukturen blev NaMoS
(Nano Modular Structure).
3.5.1 Sammanslagningen
Från både Skenfri 2.0 och Meccano 2.0 användes sidan med ikar som inspiration för
de stora sidorna hos 6U-satelliten, där tanken var att de skulle användas undertill
och ovantill. Vi resonerade att strukturen då skulle kunna vara utan de mindre
sidorna, för att ikarna skulle medge tillräcklig styvhet istället för ytterligare två
delar. En av sidorna gjordes om för att passa CSD, eftersom att P-POD inte har
6U. En uppdaterad variant av kortsidorna från Skenfri 2.0 togs fram för att passa
sidorna. Eftersom att båda hade en väldigt lika hålbild för hyllplanen, användes även
den, men där fönster användes som i Skenfri 2.0, fast med lite mer materialyta som
i Meccano 2.0.
3.5.2 Hyllplan
Hyllplanssystemet var något som vi var starkt överens om, och väldigt positivt inställda till. Det blev därför något av det centrala för att uppnå intern modularitet,
vilket kommer att åskådliggöras mer i detalj i nästkommande avsnitt. Den fördel
som det systemet bidrar med är att det inte måste monteras komponenter på innerväggarna, som medför att utrymmet tar slut efter ett bestämt antal komponenter,
trots att det kanske nns gott om volym kvar. Därför bör hyllsystemet vara bästa
lösningen för denna konstruktion, då dessa gör att utnyttjandet av intern volym
sker på bästa sätt. Det ska dock tilläggas att det givetvis alltid kommer att nnas
outnyttjat utrymme, men det är i princip bara om konstruktionen av en struktur
sker utefter ett specikt uppdrag.
4 Resultat
4
32
Resultat
Resultatet blev tre strukturer som planerat. De ingår alla i samma sammanställningsl för Solidworks och växlas mellan varandra genom färdiga kongurationer
för var och en av dem.
Fig. 4.1:
3U för P-POD
Fig. 4.2:
3U för CSD
4 Resultat
Fig. 4.3:
33
6U för CSD
Utifrån kravspecikationen uppfyller koncepten nästan samtliga krav som blir relevanta för konstruktionen. Övriga krav, såsom krav 3.1.6, är inte applicerbara i
nuläget utan kan endast bedömas efter fortsatt arbete.
Det krav som inte uppfylls i nuläget är viktkriteriet för 3U-strukturen för CSD.
Kravet är att strukturens inte får väga mer än 500 g, vilket den överstiger med ca
35 g.
5 Detaljkonstruktion
5
34
Detaljkonstruktion
Detta avsnitt syftar till att i detalj förklara och motivera hela strukturens uppbyggnad, vilket inkluderar fördelar, nackdelar, och begränsningar.
5.1
Basplatta
5.1.1 Dimensioner
Basplattan är dimensionerad utefter PSC (2014a), bredden mellan ytterkanterna på
ikarna är 239 mm (113 mm för 3U), och längden på dem är 366 mm. Höjden på de
vertikala ikarna är 10 mm, och 5 mm breda (4 mm för 3U), medan CSD-ikarna
är 3 mm tjocka och sticker ut 8 mm (6 mm för 3U) vardera. De inre stödkanterna
är 3,5 mm höga, och som tunnast är plattan 1,5 mm.
Fig. 5.1:
Basplattans prol- och översiktsbild.
5.1.2 Beskrivning av detalj
Basplattan är den del som lägger grunden för gränssnittet för CSD, som har en prol
likt ett väldigt brett U, med identiska horisontella ikar som sticker ut på vardera
sida. Dessa ikar är det som strukturen hålls fast i när den är monterad i dispensern,
och de måste löpa längs med hela sidan. På grund av de höga kraven som ställs på
ikarnas utformning för infästning i dispenser för CSD, blir det en stark fördel att
ha båda ikarna i en och samma del. Detta medför att det ingen toleranspåbyggnad
sker.
Bortsett från ikarna, är basplattans form en tunn platta, med kanter som stabiliserar och gör den styvare mot krafter som böjer plattan parallellt med kortsidan.
Vidare har något mindre kanter även använts runt om de fyrkantiga hålen i plattan,
för att öka styvheten mot krafter som böjer plattan parallellt med längden. Figur
5 Detaljkonstruktion
35
5.1 visar basplattans prol, sett från kortsidan, samt en översiktsbild ovanifrån. 3Uvarianten är väldigt snarlik, med skillnaderna att den endast har tre fönster, och
ingen längsgående förstärkning, helt enkelt 1U bred istället för 2U.
De fyrkantiga hålen har valts dels för att minska vikten på konstruktionen, men
även för att det kan nnas komponenter som exempelvis kameror, som ska riktas
utåt från satelliten. Runt dem nns sedan hålbilden för infästning av hyllplanen,
som är just det som denierat hur fönstren ska se ut. Hålbilden är placerad på
sådant vis att det går att montera hyllplanen antingen i längd- eller breddriktningen. Den har dessutom distansen 16,1 mm mellan vardera hål, vilket medför att vid
montering av kretskortslådorna som ÅAC använder sig av, hamnar hyllplanen alltid
korrekt, oavsett hur många lådor som staplas på varandra. Hålen är försänkta på
undersidan, vilket gör att skruvskallar inte ska ta upp extra utrymme, eftersom att
det endast är ett par millimeter kvar till godo.
Stödkanterna innanför ytterkanterna av plattan medför att komponenter enligt PC104 inte kan monteras med den längre sidan vertikalt över dem i längd- eller breddriktning. Vidare har hålbilden gjort att det inte är 16,1 mm mellan hålen över
stödkanten som löper i plattans längdriktning i mitten, utan något mindre. Detta
gör att era komponenter inte kan monteras över mitten utan att behöva använda
någon typ av distans.
Denna del används inte i kongurationen för P-POD, utan där används istället
ovansidan både under- och övertill. Detta beror på att P-POD inte har ikar som
infästning av satellit, utan de fyra längsgående hörnen används istället för att hålla
fast satelliten, med ytterst na toleranser.
5.2
Ovansida
Fig. 5.2:
Ovansidans prol- och översiktsbild
5 Detaljkonstruktion
36
5.2.1 Dimensioner för 6U
Ovansidan är 364 mm lång, 223 mm bred, och 10 mm som högst. I övrigt är den
dimensionerad precis som motsvarande storlek på basplattan, vad gäller hålbild och
stödkanter.
5.2.2 Dimensioner för 3U CSD
Ovansidan är 364 mm lång, 101 mm bred, och 10 mm som högst. I övrigt är den
dimensionerad precis som motsvarande storlek på basplattan, vad gäller stödkanter,
och har en annorlunda hålbild eftersom att försänkta hyllplan inte är möjligt i denna
konguration.
5.2.3 Dimensioner för 3U P-POD
Ovansidan är 327,5 mm lång, 100 mm bred, och 10 mm som högst. I övrigt är den
dimensionerad på samma sätt som CSD-varianten.
5.2.4 Beskrivning av detalj
Ovansidan påminner starkt om Basplattan, vilket beror på att den praktiskt taget är
tänkt att vara en spegling av basplattan, fast utan CSD-ikarna. Den enda egentliga
skillnaden mellan den och basplattan är att den även har hål på ikarna vilket leder
till att även dem kan fästas i kortsidan för ökad stabilitet. Prolen syns i gur 5.2
med en översikt som illustrerar tydligt att skillnaden inte är stor.
Fördelen med ovansidan är när den används i P-POD, eftersom att hörnen är integrerade, utan att några extra delar behöver monteras för att uppfylla kraven.
Dessutom agerar hörnen, eller ikarna, som stabiliserande, vilket tidigare förklarats
om basplattan.
5.3
Kortsida
Fig. 5.3:
Kortsida
5 Detaljkonstruktion
37
5.3.1 Dimensioner för 6U
Kortsidan är 223 mm bred, 101 mm hög, och maximalt 12 mm hög. Den har en
ytterkant, som är 6 mm bred runt om, och som tunnast är den 1,5 mm, precis som
basplattan och ovansidan. Även denna har en stödkant i mitten, som är 3,5 mm hög
och 5 mm bred.
5.3.2 Dimensioner för 3U CSD
Kortsidan är 101 mm bred, 101 mm hög, och maximalt 12 mm hög. Den har en
ytterkant, som är 6 mm bred runt om, och som tunnast är den 1,5 mm, precis som
basplattan och ovansidan.
5.3.3 Dimensioner för 3U P-POD
Kortsidan är 100 mm bred, 100 mm hög, och maximalt 12 mm hög. Den har en
ytterkant, som är 6 mm bred runt om, och som tunnast är den 1,5 mm, precis som
basplattan och ovansidan.
5.3.4 Beskrivning av detalj
Kortsidan är en detalj som kräver fem olika kongurationer, för att passa de tre olika
strukturkongurationerna. Det beror till stor del på att CSD kräver att en kontakt
ska fästas inuti strukturen på en väl angiven plats, utan några frihetsgrader. Den
kontakten upptar så pass stor plats att det kräver stora förändringar. I gur 5.4 syns
den obligatoriska urskärningen för kontakten.
Fig. 5.4:
Kontakturskärning i kortsidan
För att fästa kortsidan i ovansidan och bottenplattan nns fem gängade hål (tre
för 3U), utplacerade med jämn fördelning. För ovansidan nns även varsitt gängat
hål på sidorna. Material är borttaget från kanten där ovansidan och bottenplattan
fästs, för att göra detaljen lättare, men även för att fästandet av dem medför att
de kan agera förstärkning mot eventuella krafter. Dessutom har de andra sidorna,
5 Detaljkonstruktion
38
kortsidorna i 6U-varianten, en liten urskärning för ikarna i basplattan och ovansidan. Nedan nns en översiktsbild på kortsidan.
Denna del är konstruerad på ett sätt som gör att när alla huvudsakliga delar monterats ihop, ska strukturen i princip ha en ik runt om sidorna som är utan någon
slags panel eller sida. Detta medför att strukturen blir tillräckligt stark för att klara
av krafter på samma sätt som liknande strukturer, men som har betydligt er delar.
Å andra sidan har någon ingående analys inte genomförts för att undersöka om det
nns någonstans där materialtjockleken kan reduceras.
5.4
Hyllplan
Det togs fram en hel del olika förslag på hur konstruktionen av hyllplan skulle kunna
se ut.5.5 visar några förslag.
Fig. 5.5:
De första hyllplanen
Efter ett möte med Örth (2015), blev det klart att det fanns en detalj som vi inte
haft i åtanke vid konstruerandet. Det var att om hyllplanen placeras på ett visst
sätt, leder det till att kontakter för komponenter riktas inåt mot mitten av satelliten
(6U), vilket då medför att kabeldragning blir enkel. Problemet som uppstår är att
en del av hyllplanen kan komma att vara i vägen, vilket försvårar kabeldragningen.
Detta var relativt enkelt att omarbeta, och resulterade i den slutgiltiga formen för
hyllplanen till 6U som syns i gur 5.6. Hyllplanen är konstruerade för att bidra med
stabilitet till strukturen.
5 Detaljkonstruktion
Fig. 5.6:
Hyllplan 6U
Fig. 5.7:
Illustration av kabeldragningsutrymmet i 6U-strukturen
39
I gur 5.8, visas hur hyllplanet för 3U konstruerats, med tydlig skillnad till 6Uvarianten. De är i princip identiska för CSD och P-POD, med skillnaden att det för
P-POD är något mindre.
5 Detaljkonstruktion
Fig. 5.8:
40
Hyllplan 3U för CSD och P-POD
I och med försänkningen i hyllplanen för 6U, hamnar hålen i linje med botten på den
monterade komponenten. Detta gör att valfritt antal komponenter kan monteras i
rad, utan att hålbilden för hyllplanen blir felaktig. Dessutom har det spår istället för
hål, vilket tillåter att montering sker uppochned om så önskas, eller med ett hyllplan
på vardera sida, vilket är tanken. Detta var nödvändigt för att hålbilden inte är helt
symmetrisk.
Avsaknaden av försänkning på hyllplanen för 3U, innebär att komponenter kan monteras på valfri sida om hyllplanet, och därmed inte behöver ett spår, utan det går
bra med vanliga hål istället. Dessutom, nns tyvärr inte utrymmet att försänka hyllplanen, vilket gör att det inte går att använda samma håldistans som för 6U. Det
medför att någon typ av distanser måste användas, som anpassas utefter antal komponenter som monteras.
Hyllplanen för 6U går inte att montera komponenter på med den längre sidan vertikalt. Dessutom går de inte att stapla hyllplanen på höjden i strukturen, för att det
skulle kräva vissa kompromisser i form av er delar i strukturen, samt förändringar
i konstruktionen.
På grund av förstärkningar i strukturernas övre och undre sida, nns ej utrymme
att montera komponenter enligt PC-104 med den längre sidan vertikalt över dessa.
Det skulle gå att montera på sådant vis inom förstärkningarna, men att montera
dem på ett sätt som gör att de sträcker sig över förstärkningarna är inte möjligt.
För att strukturen ska vara tillräckligt styv, är dessa förstärkningar nödvändiga.
5.5
Infästningar
För fastsättning av detaljer till en komplett struktur har försänkta M3-skruvar tänkt
användas, och för fastsättning av hyllplan och CSD-kontakt var M2,5 tänkt. Det är
5 Detaljkonstruktion
41
ett måste att använda sig av den storleken på skruvar, eftersom det rör sig om en
väldigt liten struktur, där varje millimeter spelar roll. Vidare har gängdjupet dubbla diametern använts som tumregel, för att säkerställa att infästningarna inte går
sönder. Materialtjocklek runt de gängade hålen har uppskattats till minst dubbla
diametern, och i många fall bra mycket mer än så.
När det gäller montage av komponenter på hyllplan, har inga gängade hål gjorts,
utan tanken är att vid montering av komponenter använda exempelvis gängstänger
som längdanpassas efter antalet komponenter som ska monteras ihop. Det beror på
att hyllplanen behöver vara mycket större och grövre om gängade hål skulle göras,
samt att det förstör själva syftet med att placera ett hyllplan på vardera sida av en
stack med komponenter.
6 Analys
6
42
Analys
6.1
Materialval
Med uttgångspunkt i vilka material som vanligen används för CubeSat-strukturer
framgår att Al 6061 och 7075 används nästan uteslutande. Med denna information,
och analys av teorin, blir det något av dessa vi rekommenderar.
6.2
Hållfasthet
För att säkerställa att strukturen kan skickas upp till rymden har ett par obligatoriska analyser genomförts. Dels har en egenfrekvensanalys utförts, vilket syftar till
att redogöra för strukturens egenfrekvenser, och även en statisk spänningsanalys.
Egenfrekvenser är av intresse för att det är önskvärt att inte strukturen börjar självsvänga under uppskjutning, vilket innebär att den gungar fram och tillbaka med
stigande amplitud, tills plastisk deformation sker, och strukturen går sönder.
6.2.1 Egenfrekvensanalys
Eftersom att ett av kraven var att strukturen inte ck börja självsvänga vid frekvenser lägre än 100 Hz, genomfördes simuleringar i Solidworks 2014 i frekvensintervallet
0 - 2000 Hz. Detta gäller vid uppskjutning, och därför fästes strukturen i simuleringen på samma sätt som den skulle ha suttit fast i respektive dispenser. Bilaga 2 visar
i detalj var och hur strukturerna xerats. Analysen har genomförts utan hyllplan
för att garantera att deras placeringar inte påverkar resultatet på fel sätt.
Tab. 6.1:
Egenfrekvenser för 6U
Mod nr.
Frekvens (Hz)
Mod nr.
Frekvens (Hz)
Mod nr.
Frekvens (Hz)
1
214,62
11
874,8
21
1328,9
2
281,63
12
899,5
22
1356,9
3
344,31
13
986,6
23
1432,7
4
360,34
14
1012,9
24
1515,8
5
441,77
15
1019,9
25
1617,1
6
451,82
16
1073,4
26
1674,9
7
516,39
17
1139,6
27
1800,4
8
588,44
18
1250,2
28
1866,7
9
761,86
19
1267,5
29
1922,9
10
868,84
20
1314,3
30
1946,9
Som åskådliggörs i tabell 6.1 har 6U-strukturen sin första egenfrekvens på ungefär
215 Hz, vilket är godkänt enligt kravspecikationen. Vidare syns även att inom det
angivna intervallet har strukturen 30 egenfrekvenser.
6 Analys
Tab. 6.2:
43
Egenfrekvenser för 3U - CSD
Mod nr.
Frekvens (Hz)
Mod nr.
Frekvens (Hz)
1
324,23
8
1327,2
2
370,58
9
1434,4
3
391,91
10
1532,4
4
614,73
11
1680,2
5
832,70
12
1783,6
6
924,74
13
1895,5
7
1089,8
Den mindre 3U-strukturen för CSD, har sin första egenfrekvens på ungefär 324
Hz, vilket även det är godkänt. En tydlig skillnad mellan 6U och 3U är att den
sistnämnda har i princip hälften så många egenfrekvenser inom samma intervall.
Tab. 6.3:
Egenfrekvenser för 3U - P-POD
Mod nr.
Frekvens (Hz)
Mod nr.
Frekvens (Hz)
1
460,22
7
1028,1
2
461,05
8
1029,1
3
509,67
9
1193,5
4
510,69
10
1195,4
5
974,30
11
1420,6
6
974,53
12
1421,0
Sist, och till storleken minst, har vi 3U för P-POD, med en egenfrekvens som är
nästan exakt samma som för CSD. Inom frekvensintervallet har den en mindre
egenfrekvens än CSD-varianten. Egenfrekvenserna verkar komma i par som är väldigt
nära varandra, vilket innebär att antalet egenfrekvenser för P-POD skulle kunna
approximeras till hälften.
6.2.2 Statisk spänningsanalys
Vid uppskjutningen kommer strukturen att utsättas för kraftiga vibrationer, vilket
innebär att strukturen kommer att utsättas för momentära krafter av olika storlek.
Precis som beskrivet i 1.2.3, ska ytan mot utlösningsplattan klara av en kraft på
400 N, vilket efter godkänd simulering ska representera att strukturen klarar av
spänningar som kan uppstå på grund av vibrationer. Dessa tester har simulerats på
alla tre kongurationer, och resultatet för 6U visas i gur 6.1, medan resterande
resultat åternns i bilaga 4.
6 Analys
44
Fig. 6.1:
Spänningsförhållanden för 6U.
Fig. 6.2:
Deformation för 6U.
Som gur 6.1 och 6.2 visar, ser spänningarna och deformationen väldigt lika ut, vilket lätt kan skapa förvirring. Faktum är att deformationerna är väldigt överdrivna,
för att illustrera hur strukturen deformeras. Detta för att om verklig skala skulle
användas, skulle skillnaden vara liten nog att deformationerna inte syns överhuvudtaget. Enligt den regnbågsfärgade gradering vid sidan om modellen så visar det sig
6 Analys
45
att deformationerna inte rör sig om mer än några hundradelar av en millimeter. Detta syns inte tydligt i gur 6.1 och 6.2, men kan kontrolleras i bilaga 4. Vidare kan
det även noteras att spänningarna benner sig under sträckgränsen med marginal.
Sammanfattningsvis konstateras att alla tre kongurationer uppnår godkänt resultat
i spänningsanalysen.
6.3
Tillverkningskostnad
Kostnaden för att tillverka varje ingående del beror på materialkostnad, omställningstid och direkt arbete. Konstruktionen är uppbyggd i Solidworks 2014 på ett
sätt som ska göra det lätt att ändra storlek på delarna. Det har lett till att verktyget
Costing har svårt för att förstå hur vissa features ska tillverkas då en tidigare operation fräst bort material. Uppskattningsvis avviker inte den reella kostnaden alltför
mycket. Analysen har genomförts med följande parametrar:
•
Materialkostnad för Al 6061: 10,10 USD/kg
•
Shop rate: 60 USD/h
•
Seriestorlek: 10 st
Kostnaden beräknas exklusive skruvförband och hårdanodisering. Valutaomvandlingen är gjord enligt valutakursen den 25/5-2015.
6.3.1 6U CSD-struktur
Tab. 6.4:
Kostnad för 6U CSD-struktur
Del
Antal Kostnad (USD) Materialandel (%) Tillverkningsandel (%)
Bottenplatta
1
140,56
17
83
Överdel
1
108,08
20
80
Kortsida
1
90,66
8
92
KortsidaCSD
1
82,51
9
91
Hyllplan
4
49,44
3
97
Totalkostnad
619,57 USD
5130 kr
6 Analys
46
6.3.2 3U CSD-struktur
Tab. 6.5:
Kostnad för 3U CSD-struktur
Del
Antal Kostnad (USD) Materialandel (%) Tillverkningsandel (%)
Bottenplatta
1
86,62
13
87
Överdel
1
79,83
13
87
Kortsida
1
77,02
4
96
KortsidaCSD
1
74,52
4
96
Hyllplan
2
49,44
3
97
Totalkostnad
416,87 USD
3450 kr
6.3.3 3U P-POD-struktur
Tab. 6.6:
Kostnad för 3U P-POD-struktur
Del
Antal Kostnad (USD) Materialandel (%) Tillverkningsandel (%)
Långsida
2
75,37
12
88
Kortsida
2
44,04
7
93
Hyllplan
2
45,98
3
97
Totalkostnad
6.4
330,78 USD
2740 kr
Producerbarhet
Strukturen är konstruerad utifrån bentliga bearbetningsmetoder. Alla delar är frästa detaljer och konstruktionen har tagit hänsyn till möjliga geometrier med denna
tillverkningsmetod. Minsta radie som används är 2 mm vilket är möjligt med bl.a.
Sandvik Coromants verktyg (Sandvik Coromant 2015).
6.5
Konkurrentanalys
Då ÅAC avser sälja strukturer i standardutförande för multifunktionsanvändning
har vi valt ut två av huvudkonkurrenterna på det området för en kortare konkurrensanalys. Jämförelsen sker med Supernova från Pumpkin Inc. (se gur 2.5) och
6U-strukturen från ISIS (se gur 2.4).
6 Analys
Tab. 6.7:
47
Matris för konkurrentanalys
När en konkurrentanalys genomförs av en intressent kan det aldrig ske helt opartiskt.
Med det begränsade underlaget som nns tillgängligt gällande data från konkurrenter har analysen skett efter bästa förmåga.
7 Slutsatser och Diskussion
7
48
Slutsatser och Diskussion
I detta examensarbete, med uppdraget att ta fram en modulär mekanikstruktur
för nanosatelliter enligt CubeSat-standarden, har vi insett att det nns en hel del
grundläggande som fås gratis. Vad som menas med det är att det dels nns ertalet tidigare projekt att inspireras av, samt att många krav redan är angivna, vilket
innebär att ett tydligt ramverk kan följas, trots att vissa enstaka osäkerheter nns.
Detta förenklar produktutvecklingsprocessen, även om det samtidigt begränsar möjligheten att ta ut svängarna. Trots detta tycker vi ändå att vi lyckats utreda många
olika sätt för hur en mekanikstruktur kan se ut, och att designprocessen fört våra
koncept samman till ett, ser vi som en bra lösning.
Vad gäller modulariteten drogs slutsatsen tidigt att den skulle bli svår att applicera, för vi tänkte oss att modularitet var lite luddigt, och snarare passade bättre in
på till exempel hushållsassistenter, med era utbytbara verktyg. Efter att ha läst på
lite om ämnet är vi dock överens om att det denitivt nns en koppling, och därför
har vi lyckats implementera det i arbetet. Detta genom att vi har samma typ av
gränssnitt mellan delarna oavsett storlek, som för exempelvis basplattan, som lätt
kan bytas ut mot ovansidan, i och med att gränssnittet till kortsidan är detsamma.
Ett av de mest problematiska kraven i arbetet, var att strukturen ska passa både
CSD och P-POD. Att konstruera en generell struktur som med endast en adapter
gör att den passar i båda två, får så pass negativa påföljder, att det inte är värt
det. Detta var något som påverkat designprocessen, men efter godkännandet om
att modulariteten kan ligga i CAD, blev det en förenklande avgränsning. Nu kan
konstruktionen skalas upp innan tillverkning, eftersom att strukturen är uppdelad i
olika kongurationer, som gör att den anpassas väl efter dispensern, utan att ora
exempelvis internt utrymme. Det blir därav självklart att denna lösning är den bästa
tänkbara, givet förutsättningarna.
Interna utrymmet är ett av de viktigaste kraven, vilket innebär att man under
hela processen måste ha det i åtanke. För vilken nytta gör egentligen en struktur
som är väldigt stabil, men som inte rymmer de komponenter som krävs? Eftersom
arbetet gick ut på att göra en generell struktur, som kan köpas in tillsammans med
elektronik från ÅAC, låg fokus ständigt på att det skulle passa många gränssnitt.
Detta tycker vi har uppnåtts, med hyllplanslösningen, som gör att man kan placera
komponenter med stor valfrihet.
Vi lyckades nästan uppfylla kraven om vikt, där endast 3U-varianten för CSD överskred målet med ungefär 35 g. Anledningen till detta är dels att P-POD-varianten
är lite mer än 30 mm kortare, men även att den inte har några skenor. Yttermåtten
skiljer dock bara med enstaka millimetrar, vilket inte ligger till grund för den stora
viktreduceringen.
På grund av tidsbrist, hann vi aldrig genomföra någon slumpmässig vibrationsanalys, trots att vi spenderat några timmar av arbetet på det. Vi insåg att det skulle
bli alldeles för tidskrävande, och valde därför att lägga det åt sidan. Däremot har
vi genomfört andra analyser, som redgör för huruvida strukturerna uppfyller kra-
7 Slutsatser och Diskussion
49
ven. Till att börja med har vi strukturernas egenfrekvenser, där de lägsta noterade
egenfrekvenserna visade sig ligga långt över kravet på 100 Hz. Vidare visade spänningsanalysen att 400 N inte direkt var någon match för någon av strukturerna, där
ingen av dem deformerats mer än 0,04 millimeter. En sak som är värd att notera
angående egenfrekvensanalyserna är frånvaron av hyllplan i strukturen, där man kan
argumentera för att det vore bättre att testa med hyllplan, eftersom att i en färdig
satellit kommer det nnas hyllplan och komponenter, som stabiliserar strukturen
ytterligare. Men vi anser att om strukturen helt utan hyllplan blir godkänd, bör den
klara sig ännu bättre efter montering av komponenter. Kostnadsanalysen visar även
den till sist, att tillverkningskostnaden för respektive struktur ligger långt under
det högst tillåtna. Det är dock tveksamt att det stämmer särskilt exakt, i och med
att den är genomförd med det inbyggda verktyget Costing i Solidworks 2014. Detta
beror dels på att vissa geometrier inte uppfattas av programmet, samt avsaknaden
av prisuppgifter för en hel del material. Men en bedömning att priset i verkligheten
skulle vara det tredubbla känns väldigt osannolikt.
Vi anser oss ha lyckats bra med att strukturen ska tåla alla mekaniska påfrestningar
under uppskjutningen. Dessvärre ck temperaturförändringar, och hur det påverkar
strukturen, utgå. Precis som den slumpmässiga vibrationsanalysen, utförde vi några
sådana tester med Solidworks, fast lyckades inte få fram något resultat som gick att
tolka. Vi känner oss inte helt säkra på att vi vet exakt hur alla simuleringar fungerar
i programvaran, och anser att det är bäst att låta bli, istället för att lägga fram
resultat som vi själva är osäkra på hur de ska tolkas.
Sammanfattningsvis har vi uppnått alla krav som ställdes upp i början, med undantag för viktkravet för 3U-varianten för CSD. Dock känner vi oss säkra på att de
35 g säkerligen går att trimma bort på något vis, även om det inte är mycket extra
vikt för en satellit som tillåts väga 4 kg fullt utrustad. Det ska dock påpekas att
det från början inte ingick något slags slumpmässigt vibrationstest, endast analyser
av spänningar, värmeledning och egenfrekvenser. Något som betytt mycket under
arbetet är att det har strukturerats utefter en väl genomarbetad planering, vilket är
en bra förutsättning för ett lyckat projekt.
8 Rekommendationer
8
50
Rekommendationer
I det fortsatta arbetet för att realisera konstruktionen till en verklig produkt har vi
några rekommendationer som bygger på erfarenheter från detta arbete.
Hålbilden på CSD-plattan och dess motsvarighet är i dagsläget anpassad efter ÅACs
produkter. Ett problem som nns är att hålen som löper i mitten av strukturen i
dess längdriktning inte har samma intervall mellan centrumraderna. Detta gör att
när hyllplan med komponenter fästs från ena långsidan till den andra, så att de
passerar stödribban i mitten, måste någon typ av distans användas. Vi har försökt
justera detta, men det visade sig vara för mycket arbete än vad vi skulle hinna med.
För att produkten ska godkännas för den tänkta applikationen måste er och noggrannare tester genomföras, med ett mer kraftfullt verktyg än simuleringsverktyget
i Solidworks 2014. Även tester på en fysisk struktur är att rekommendera.
Konceptet har i sin nuvarande form endast fyra sidor. I de tester som genomförts
upptäcktes inget stort problem med detta, eftersom att strukturen har hyllplan för
extra styvhet. Men ett behov för sex sidor på strukturen kan tillkomma då yttre
komponenter ska fästas, i synnerhet solceller. Vi har provat fästa en solcellsvariant
från ISIS och då visade det sig att kanten vid CSD-iken är för låg för montering av
sådana. Dock verkar det som att solceller inte har någon standardiserad hålbild utan
bestäms av tillverkaren själv. De solceller som ska användas bör vara anpassade till
en 6U- eller 3U-struktur. Behovet för en extra sida, och därmed bättre hållfasthet,
borde rimligtvis trumfa viktkrav och därav rättfärdigas.
Då vi har baserat vårt materialval på mestadels tidigare arbeten och rekommendationer från dispensertillverkarna kan det nnas behov av att undersöka detta
ytterligare. Ett antal plaster och kompositmaterial har godkänts för rymdapplikationer enligt NASA (2007), som kan vara intressanta.
I konceptet har vi lagt in skruvar i storlekarna M3 och M2,5. Dessa är mest för
illustration. Om man följer de krav som ställts upp av dispensertillverkarna så ska
de vara tillfredställande. Om de däremot är det bästa valet är en annan fråga som vi
inte besvarat. NASA har ett dokument för riktlinjer för skruvar i rymdapplikationer,
men hurvida detta överrensstämmer med vårt val kan vi inte svara på.
Strukturen är formad för att lämna en del utrymme på utsidan av strukturen för
yttre komponenter. I det vidare arbetet föreslår vi att man tittar på den maximala
tjockleken av de komponenter som kan tänkas monteras och därefter ta beslut om
nödvändiga marginaler mellan strukturens yta och dispenserns insida. Detta beror
på val av solpaneler och utfällbara komponenter.
För att få en noggrannare prisuppgift på tillverkningskostnaden för strukturen rekommenderas en dialog med det tillverkande företaget där en oert kan begäras. För
detta krävs detaljerade ritningar på samtliga ingående komponeneter för strukturen.
Uttaget för CSD Electrical Connector är inte optimalt. I dess nuvarande utförande
8 Rekommendationer
51
äventyras hållfastheten då den ersätter en av de delar som bidrar till en styv kostruktion. Det man kan göra är att förstärka kåpan som kontakten huserar i. Utifrån våra
tester är det dock inte direkt nödvändigt, men kan vara värt att undersöka närmare.
Den sista rekommendationen vi har är att tillverka en fysisk modell av strukturen för ytterligare optimeringar samt för att se hur komponenter kan monteras i
verkligheten.
9 Referenser
9
52
Referenser
Anubhav, T., Loganathan, M., Narayan, V., Prasad, R.A., Rao, D.N., Sarwesh, P.,
Sriram, S., Varma, P.A., Venkatesh, M. (2013).
Satellite Structure Bus for LEO Missions.
Novel Low Cost Standardized Nano-
[Elektronisk]. Big Sky, MT, Aerospace
Conference, 2-9 mars. Tillgänglig: IEEE Xplore [2015-03-25]
Bergman, B. & Klefsjö, B. (2012).
Kvalitet: från behov till användning. Lund: Stu-
dentlitteratur AB, ss 199-219.
Design Specication Rev. 13. [Elektronisk]. San Luis Obispo, CA, Califoria Polytechnic State UniverCalifornia Polytechnic State University, Cal Poly. (2014). CubeSat
sity. Tillgänglig: http://www.CubeSat.org/images/developers/cds_rev13_nal2.pdf
[2015-05-21]
Chandramouli, P. & Gulati, A.K. (2012).
re of a Nanosatellite.
Design Optimixation of the Support Structu-
[Elektronisk]. Vilnius, 19th International Congress on Sound
and Vibration, 8-12 juli. Tillgänglig:
http://www.researchgate.net/publication/236969821_DESIGN_OPTIMIZATION_
OF_THE_SUPPORT_STRUCTURE_OF_A_NANOSATELLITE [2015-05-26]
Design and Analysis of
Structure for ITU-pSAT II. [Elektronisk]. Istan-
Cihan, M., Cetin, A., Kaya, M.O., Inalhan, G. (2011).
an Innovative Modular
CubeSat
bul, Faculty of Aeronautics and Astronautics. Tillgänglig: IEEE Xplore [2015-0323]CubeSatShop. (2015).
3-Unit
CubeSat
Structure. Tillgänglig:
http://www.CubeSatshop.com/ CubeSat Structures / 3-Unit CubeSat Structures:
Product Details [2015-05-27].
European Space Agency (ESA). (2015).
Materialsökning - Aluminium.
Tillgäng-
lig: http://esmat.esa.int/materialframe.html [2015-05-26]
Kamrani, A.K. & Nasr, E.S.A. (2008). Collaborative Engineering. [Elektronisk]. I
Salhieh, S.M. & Kamrani, A.K.
Modular Design.
Boston, MA: Springer Science +
Business Media, LLC, ss 207-226. Tillgänglig: Springer Link. [2015-05-19]
Mahesh Babu, T.S., Sheela Rani, B., Srinivasan, M. (2010).
dierent structures of nanosatellite and its analysis.
Comparative study of
[Elektronisk]. Chennai, 13-15
november 2010. Tillgänglig: IEEE Xplore. [2015-05-27]
McNutt, C.J. (2009).
Modular Nanosatellites: Plug-and-Play CubeSat. [Elektronisk].
Los Angeles, American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), 7th Responsive Space Conference, 27-30 april. Tillgänglig: http://dasp.mem.odu.edu:8080/~deorbit_
sp12/ref/Modular%20Nanosatellite%20PnP.pdf [2015-05-26]
National Aeronautics and Space Administration, NASA. (2008).
NASA-STD-6016.
[Elektronisk]. Washington, DC, NASA Headquarters. Tillgänglig:
https://standards.nasa.gov/documents/detail/3315591 [2015-05-21]
9 Referenser
53
National Aeronautics and Space Administration, NASA. (2014).
LSP-REQ-317.01.
[Elektronisk]. Florida, John F. Kennedy Space Center. Tillgänglig:
http://www.nasa.gov/pdf/627972main_LSP-REQ-317_01A.pdf [2015-05-21]
Pumpkin Inc. (2007). CubeSat
Kit PCB Specication Rev. A5.
[Elektronisk]. San
Francisco, CA, Pumpkin Inc. headquarters. Tillgänglig:
http://www.CubeSatkit.com/docs/CSK_PCB_Spec-A5.pdf [2015-05-21]
Pumpkin Inc. (2014)
6U SUPERNOVA Structure Kit: Owner's Manual.
[Elektro-
nisk]. San Francisco, CA, Pumpkin Inc. headquartes. Tillgänglig:
http://www.CubeSatkit.com/docs/SUPERNOVA_User_Manual-RevA0.pdf [201505-26]
Planetary Systems Corporation, PSC. (2014a).
Payload Specication for 3U, 6U,
12U and 27U. [Elektronisk]. Silver Spring, MD, PSC headquarters. Tillgänglig:
http://www.planetarysys.com/web/wp-content/uploads/2014/08/2002367B-PayloadSpec-for-3U-6U-12U-27U.pdf [2015-05-21]
Planetary Systems Corporation, PSC. (2014b).
Separation Connector Data Sheet.
[Elektronisk]. Silver Spring, MD, PSC headquarters. Tillgänglig:
http://www.planetarysys.com/web/wp-content/uploads/2014/08/2001025C-SeparationConnector-Data-Sheet.pdf [2015-05-21]
Sandvik Coromant (2015).
Val av verktyg: Pinnfräsning och valsfräsar.
Tillgäng-
lig:
http://www.sandvik.coromant.com/ Kunskap / Fräsning / Spårfräsning / Pinnfräsning av spår / Val av verktyg [2015-05-27]
Spencer, D.A. & Willingham, A.L. (2012).
Structural Design, Analysis, and Test
of the Prox-1 Spacecraft. [Elektronisk]. Atlanta, GA, Georgia Institute of Technology. Tillgänglig: http://www.ssdl.gatech.edu/papers/mastersProjects/WillinghamA8900.pdf
[2015-05-26]
Stevens, C.L. (2002).
Structure
Design, Analysis, Fabrication, and Testing of a Nanosatellite
(Masteruppsats). [Elektronisk]. Blacksburg, VA: Virginia Polytechnic In-
stitute and State University. Tillgänglig: http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd05302002-161341/unrestricted/clsthesis.pdf
Tibnor AB. u.å.
Tekniska data aluminium. [Elektronisk]. Tillgänglig:
http://www.tibnor.se/ Produkter / Aluminium / Tekniska data / Tekniska data
aluminium [2015-05-26]
Ullman, E. (2003).
Materiallära. 14. uppl. Stockholm: Repro 8 AB, ss 265-282.
ÅAC Microtec AB (2015a).
Corporate Prole. Tillgänglig: http://www.aacmicrotec.com/
About / Corporate prole [2015-05-21]
9 Referenser
54
Örth, M., (2015). VP Project Management, ÅAC Microtec AB. [Muntlig]. Möten
under april och maj 2015.
Bilagor
Bilaga 1: Kravspecifikation
Bilaga 2: Fixering inför spänningsanalys
Bilaga 3: Sammanställningsritningar
Bilaga 4: Spänningsanalyser
Bilaga 5: Mass Properties
Bilaga 1: Kravspecifikation
B1.1
Kravspecifikation
1. Generella krav
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
Innerdimensionerna ska anpassas så att kretskort enligt Cubesat Kit PCB
Specification kan monteras (se CSK_PCB_Spec-A5.pdf).
Strukturen ska medge modularitet på sådant vis att den enkelt kan skalas upp till
önskad storlek med bibehållen stabilitet.
Strukturen ska möjliggöra att komponenter kan monteras i valfri del av
konstruktionen.
Lägsta egenfrekvensen ska vara högre än 100 Hz.
Strukturen tillåts väga max 500 g för 3U, 1000 g för 6U o.s.v.
2. Krav på 3U CubeSat för Poly Picosatellite Orbital Deployer(P-POD)
(se Cubesat Design Specification rev13.pdf)
2.1. Mekaniska krav 3U
2.1.1. Dimensionerna ska anpassas enligt ritning CDS-13-004 på s. 29 i CubeSat Design
Specification Rev. 13 från California Polytechnic State University.
2.1.2. Yttre delar på satelliten får inte vidröra den inre ytan i P-POD, förutom de skenor
som är avsedda för detta ändamål.
Parameter
Enhet
Min
Max
2.1.3.
Bredd skenytor, X-riktning
mm
99,9
100,1
2.1.4.
Höjd skenytor, Y-riktning
mm
99,9
100,1
2.1.5.
Längd skenytor, Z-riktning
mm
340,2
340,8
2.1.6.
Påbyggnad på varje sida utöver skenytor
mm
-
6,5
2.1.7.
Enskild skenbredd
mm
8,5
-
2.1.8.
Ytjämnhet
µm
-
1,6
2.1.9.
Avrundningsradie på skenor
mm
1
-
mm
6,5
-
%
75
100
2.1.10. Kontaktyta skenans Z-sida, vardera sida
2.1.11. Andel av skena i kontakt med P-POD
2.2. Material
2.2.1. 7075 eller 6061 ska användas till både satellitens huvudstruktur och skenor. Om
andra material används så måste det godkännas.
2.2.2. Skenorna måste vara hårdanodiserade för att förhindra kallsvetsning.
2.2.3. Material som används måste uppfylla NASA:s krav enligt NASA_STD_6016.
2.2.4. Materialen ska uppfylla följande utgasningskriterier för att förhindra förorening av
andra rymdfarkoster under integration, tester och uppskjutning.
B1.2
2.2.4.1. Total Mass Loss (TML) ska vara ≤ 1,0 %.
2.2.4.2. CVCM ska vara ≤ 0,1 %.
3. Krav på CubeSat för Canisterized Satellite Dispenser (CSD) (se
CSD_3-27_U_Payload_Specification.pdf)
3.1. Mekaniska krav för CSD
3.1.1. Flikarna ska löpa längs hela nyttolasten. Ingen del av satelliten får sträcka sig utanför
flikarna i dess längdriktning.
3.1.2. Alla dimensioner och toleranser ska bibehållas i det temperaturintervall som
konstruktionen utsätts för under drift (ungefär från -40oC till 100oC).
3.1.3. Ytan på strukturen i kontakt med utlösningsplattan i CSD kan vara en enhetlig yta
eller bestå av diskreta kontaktpunkter. De diskreta kontaktpunkterna ska vara
placerade så att de omsluter satellitens tyngdpunkt och de tre driftsättnings-brytarna.
3.1.4. Driftsättningsbrytarna ska placeras i en specifik zon på strukturens yta mot
utlösnings-platta. Brytarna kommer aktiveras vid kontakt med CSD utlösningsplatta.
3.1.5. Säkringssprint, om nödvändigt, skall finnas på strukturens yta mot luckan
(rekommenderas) eller på sidoytorna (vid flikarna).
3.1.6. Alla komponenter som ska fällas ut vid idriftsättning ska fästas nära strukturens yta
mot CSD-luckan för att minimera risken för att satelliten ska fastna. Dessa
komponenter ska testas med CSD innan uppskjutning.
3.1.7. Strukturens yta mot utlösningsplattan ska klara en kraft på 400 N tillfogad av
utlösningsplattan i CSD under start på grund av vibrationer.
3.1.8. Separation Electrical Connector ska användas för strömförsörjning när satelliten
befinner sig inuti deployern (se 2001025C-Separation-Connector-Data-Sheet.pdf).
3.1.9. Flikarna och ytan mot utlösningsplattan är den enda del av strukturen som erfordras.
Den övriga strukturen får utformas valfritt bara den inte överskrider maximala mått.
3.1.10. Masscentrum skall ligga inom en sfär med radien 20 mm placerad i strukturens
geometriska centrum.
Parameter
Enhet
3U
6U
Min
Max
Min
Max
3.1.11. Maximal höjd Y-led
mm
0
109,7
0
109,7
3.1.12. Maximal bredd från mitten, ±X-led
mm
0
56,55
0
119,7
3.1.13. Bredd på styrskenor, ±X-led
mm
112,7
113,1
239,0
239,4
3.1.14. Längd på styrskenor, Z-led
mm
361
366
361
366
3.1.15. Ytjämnhet styrskenor
µm
0
0,8
0
0,8
3.2. Material
3.2.1. Flikarna som används för infästning i CSD ska bestå till 100 % av Al 7075-T7, men
andra aluminiumlegeringar som har likvärdig eller högre sträckgräns kan också
användas.
B1.3
3.2.2. Flikarna ska vara hårdanodiserade med MIL-A-8625, Type III, Class1.
Bilaga 2: Fixering inför spänningsanalys
Figur 1: Fixering inför spänningsanalys för P-POD-struktur
Figur 2: Fixering inför spänningsanalys för 3 U CSD-struktur
B2.1
B2.2
Figur 3: Fixering inför spänningsanalys för 6 U CSD-struktur
A
B
C
D
E
F
B3.1
Bilaga 3: Sammanställningsritningar
1
1
100
2
2
100
3
3
4
327,5
4
2
2
2
Titel/Benämning, beteckning
COJ_2015_Hyllplan_3U
COJ_2015_Front_Side
COJ_2015_Side
6
Antal
5
3
2
1
-
-
Massa [g]
7
Al 7075
Al 7075
Al 7075
1
3
2
8
1:5
Skala
Material, dimension o.d. Artikel nr/Referens
m
-
Blad
A3 A1 1(1)
Storlek Utgåva
Projektledare
3
Densitet [g/mm ] Generell tolerans Generell yt- Vyplacering
SS ISO 2768-1
jämnhet Ra
3U_PPOD_Assem
NaMoS
- 485.04
Pos nr
-
Projektnamn
Material
Titel/Benämning
-
Konstruerad av Ritad av Tillverkning granskad av Granskad av Godkänd av - datum
Ägare
Ritningsnummer
A
B
C
D
A
B
C
D
E
F
B3.2
1
1
101
113
2
2
366
104
3
3
A
1:1
364
21,2
4
4
13,7
59,9
A
6
Titel/Benämning, beteckning
COJ_2015_Hyllplan_3U
COJ_2015_Connector_CSD
COJ_2015_Front_Side
COJ_2015_Front_Side
COJ_2015_Side
COJ_2015_Basplatta_CSD
5
7
8
3
2
6
Al 7075
Al 7075
Al 7075
Al 7075
Al 7075
Al 7075
1
2
1
1
1
1
1
-
m
-
1:5
Skala
Blad
A3 A1 1(1)
Storlek Utgåva
Projektledare
3
Densitet [g/mm ] Generell tolerans Generell yt- Vyplacering
SS ISO 2768-1
jämnhet Ra
3U_CSD_Assem
NaMoS
- 545.28
Material, dimension o.d. Artikel nr/Referens
5
Antal
4
6
5
4
3
2
1
-
Massa [g]
Pos nr
-
Projektnamn
Material
Titel/Benämning
-
Konstruerad av Ritad av Tillverkning granskad av Granskad av Godkänd av - datum
Ägare
Ritningsnummer
A
B
C
D
A
B
C
D
E
F
B3.3
1
1
223
239
2
2
366
3
3
104
4
364
A
1:1
4
21,2
13,7
59,9
5
A
6
5
4
3
2
1
1
4
1
1
1
1
CSD_6
Pos nr U/Antal
2
5
1
6
4
-
6
Titel/Benämning, beteckning
-
7
Al 7075
Al 7075
Al 7075
Al 7075
Al 7075
Al 7075
8
3
1:5
Skala
Material, dimension o.d. Artikel nr/Referens
m
-
Blad
A3 A1 1(1)
Storlek Utgåva
Projektledare
3
Densitet [g/mm ] Generell tolerans Generell yt- Vyplacering
SS ISO 2768-1
jämnhet Ra
6U_CSD_Assem
NaMoS
- 987.83
Massa [g]
COJ_2015_Connector_CSD
COJ_2015_Hyllplan_v2
COJ_2015_Front_Side
COJ_2015_Front_Side
COJ_2015_Side
COJ_2015_Basplatta_CSD
-
Projektnamn
Material
Titel/Benämning
-
Konstruerad av Ritad av Tillverkning granskad av Granskad av Godkänd av - datum
Ägare
Ritningsnummer
A
B
C
D
Bilaga 4: Spänningsanalyser
Figur 1: Kraftsimulering på 3 U P-POD enligt Von Mises
B4.1
B4.2
Figur 2: Kraftsimulering på 3U P-POD som visar förskjutning
B4.3
Figur 3: Kraftsimulering på 3 U CSD enligt Von Mises
B4.4
Figur 4: Kraftsimulering på 3 U CSD som visar förskjutning
B4.5
Figur 5: Kraftsimulering på 6 U CSD enligt Von Mises
Figur 6: Kraftsimulering på 6 U CSD som visar förskjutning
Bilaga 5: Mass Properties
B5.1
Mass properties of COJ_2015_CSD_6U
Configuration: CSD_3U
Coordinate system: -- default –
Mass = 545.28 grams
Volume = 194268.70 cubic millimeters
Surface area = 171806.97 square millimeters
Center of mass: ( millimeters )
X = -0.08
Y = 48.60
Z = 0.65
Principal axes of inertia and principal moments of inertia: ( grams *
square millimeters )
Taken at the center of mass.
Ix = (-0.00, 0.00, 1.00)
Px = 1991091.93
Iy = (0.01, -1.00, 0.00)
Py = 9624204.23
Iz = (1.00, 0.01, 0.00)
Pz = 9761206.13
Moments of inertia: ( grams * square millimeters )
Taken at the center of mass and aligned with the output coordinate system.
Lxx = 9761179.94
Lxy = -1766.06
Lxz = -5181.87
Lyx = -1766.06
Lyy = 9624226.43
Lyz = 2011.09
Lzx = -5181.87
Lzy = 2011.09
Lzz = 1991095.91
Moments of inertia: ( grams * square millimeters )
Taken at the output coordinate system.
Ixx = 11049361.54
Ixy = -3940.67
Iyy = 9624460.57
Iyx = -3940.67
Izx = -5210.96
Izy = 19239.97
Ixz = -5210.96
Iyz = 19239.97
Izz = 3279050.71
B5.2
Mass properties of COJ_2015_CSD_6U
Configuration: P-POD 3U
Coordinate system: -- default –
Mass = 485.04 grams
Volume = 172611.19 cubic millimeters
Surface area = 150733.76 square millimeters
Center of mass: ( millimeters )
X = -0.01
Y = 0.59
Z = 163.75
Principal axes of inertia and principal moments of inertia: ( grams *
square millimeters )
Taken at the center of mass.
Ix = (0.00, 0.00, 1.00)
Px = 1627061.43
Iy = (0.00, -1.00, 0.00)
Py = 7255951.41
Iz = (1.00, 0.00, 0.00)
Pz = 7351401.21
Moments of inertia: ( grams * square millimeters )
Taken at the center of mass and aligned with the output coordinate system.
Lxx = 7351400.62
Lxy = -236.41
Lxz = 0.00
Lyz = 0.00
Lyx = -236.41
Lyy = 7255951.99
Lzx = 0.00
Lzy = 0.00
Lzz = 1627061.43
Moments of inertia: ( grams * square millimeters )
Taken at the output coordinate system.
Ixx = 20357392.50
Ixy = -239.83
Iyy = 20261776.51
Iyx = -239.83
Izx = -952.55
Izy = 46664.79
Ixz = -952.55
Iyz = 46664.79
Izz = 1627228.93
B5.3
Mass properties of COJ_2015_CSD_6U
Configuration: CSD_6U
Coordinate system: -- default –
Mass = 998.75 grams
Volume = 355428.10 cubic millimeters
Surface area = 329454.53
square millimeters
Center of mass: ( millimeters )
X = -0.23
Y = 50.14
Z = -0.37
Principal axes of inertia and principal moments of inertia: ( grams *
square millimeters )
Taken at the center of mass.
Ix = (-0.00, 0.00, 1.00)
Px = 8717390.45
Iy = (1.00, -0.00, 0.00)
Py = 17917566.52
Iz = (0.00, 1.00, -0.00)
Pz = 22534210.13
Moments of inertia: ( grams * square millimeters )
Taken at the center of mass and aligned with the output coordinate system.
Lxx = 17917470.42
Lxy = -2314.93
Lxz = -29912.59
Lyx = -2314.93
Lyy = 22534208.85
Lyz = 1302.11
Lzx = -29912.59
Lzy = 1302.11
Lzz = 8717487.83
Moments of inertia: ( grams * square millimeters )
Taken at the output coordinate system.
Ixx = 20428040.57
Ixy = -13934.16
Iyx = -13934.16
Iyy = 22534402.27
Izx = -29825.93
Izy = -17421.55
Ixz = -29825.93
Iyz = -17421.55
Izz = 11227972.11