Analisi termica e modale di componenti multifunzionali del modulo satellitare Aramis

Il presente lavoro è frutto di una collaborazione con il dipartimento di elettronica e telecomunicazioni ed ha lo scopo di analizzare il comportamento modale e termico di alcuni componenti multifunzionali presenti sul modulo satellitare Aramis, progetto sviluppato all’interno dell’ateneo sotto la guida del professor Reyneri.
Il progetto Aramis si riferisce alla realizzazione di un satellite low cost di tipo cubesat, caratterizzato dall’assemblaggio di componenti modulari multifunzionali pre-assemblati e pre-testati, che uniti fra loro da elementi strutturali di giunzione vanno a definire la forma parallelepipeda del satellite.
I “cubesat” sono satelliti cubici di piccole dimensioni ideati sul finire degli anni ’90 nell’università americana Cal.Tec. con scopo di fornire una soluzione standard per il design di picosatelliti, in modo da ridurre costi e tempi di sviluppo e aumentare l’accessibilità alle missioni satellitari e la sostenibilità alla frequenza dei lanci.
Il progetto ha suscitato fin da subito grande interesse, sia in ambiente accademico che aziendale, tant’è che attualmente oltre 100 istituti nel mondo fra università, scuole ed imprese, sono coinvolti nel progetto cubesat col fine di sviluppare soluzioni strutturali sempre più efficienti e payload utili ai vari scopi specifici, con la speranza di poter vedere il loro cubesat in orbita.
Il progetto Aramis, iniziato nel 2007, ha come scopo principale quello didattico e diversi scopi secondari.
Esso viene proposto agli studenti che vogliono cimentarsi nella realizzazione di un progetto spaziale per apprendere quale siano i processi che portano al compimento di una missione satellitare, capire come applicare al meglio le soluzioni tecnologiche disponibili, far nascere nuove collaborazioni tra studenti, aziende e dipartimenti all’interno dell’ateneo, e sollecitare la ricerca di nuove soluzioni e tecnologie utili all’uopo. In più la possibilità di collaborazione al progetto è estesa anche a livello scolastico, in quanto anche diversi licei ed istituti secondari sono stati coinvolti nello sviluppo di un ulteriore payload da inserire sul satellite.
Oltre agli scopi didattici, la missione si pone il fine di far nascere collaborazioni fra l’ateneo ed il mondo delle aziende, rendere funzionante ed operativa la ground station presente nell’ateneo e testare il comportamento alle radiazioni di alcuni componenti hardware da poco presenti sul mercato, i quali andranno a definire il payload del satellite.
1.1 Aramis
Aramis presenta un’architettura innovativa inizialmente pensata per ridurre l’ingombro di satelliti di grosse dimensioni; esso infatti prevede il montaggio dei componenti hardware direttamente sui pannelli che ne definiscono la struttura, i quali vengono denominati “tiles”.
Ogni tile rappresenta una delle sei superfici multi funzionali che definiscono la forma parallepipeda del satellite. La caratteristica multifunzionale di queste superfici deriva dal fatto che ognuna, oltre ad assolvere la funzione strutturale, ha montati su di essa le schede circuitali ed i componenti hardware che di solito vengono montati nel volume interno del satellite, e quindi separatamente dagli elementi che ne definiscono la forma e le proprietà strutturali.
In questo modo si riesce a contenere in maniera molto efficace gli ingombri derivanti dalle schede hardware ed a ottenere un significativo volume vuoto al centro del satellite utilizzabile per altri scopi.
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Figura 1- spaccato di Aramis
Aramis è costruito con quattro tiles laterali rettangolari di dimensione 330 x 165 mm destinate ad ospitare esternamente i pannelli solari ed internamente il payload, il power management system, il sistema di controllo d’assetto e i computer di bordo, e due tiles superiori quadrate di dimensione 165 x 165 mm destinate al sistema di telecomunicazione e scambio dati tramite un antenna UHF posta sulla superficie esterna, una SHF interna ed altri componenti hardware.
Le tiles sono collegate tra loro da correnti profilati a L, attraverso i quali passano le viti di giunzione.
Figura 2- vista frontale PCB esterno della tile con supporti di montaggio celle
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ll payload del satellite consiste in un set di schede hardware, sviluppate per testare in ambiente spaziale diversi microcontrollori da poco sul mercato e di alto interesse tecnologico per le future missioni spaziali.
Il test di questi componenti verrà effettuato inizialmente dal computer system di Aramis, il quale processerà continuamente i dati sul funzionamento di questi dispositivi e li invierà a terra, e successivamente dalla ground station, che ne analizzerà il comportamento in relazione al livello di radiazioni a cui è sottoposto il satellite. Le radiazioni sono causate essenzialmente da ioni pesanti e particelle cariche ad alta velocità, il cui livello d’intensità è misurato da alcuni componenti montati a bordo, nell’unità di misura SEU.
Dato lo scopo della missione, qualsiasi orbita LEO è adeguata, basta che vi sia sufficiente visibilità dalla ground station posta in Torino; questo significa che si dovranno evitare orbite sub-equatoriali con angolo d’inclinazione minore di 45°.
Il presente lavoro ha lo scopo di analizzare il comportamento termo-dinamico di una di queste tiles considerata in tre configurazioni strutturali diverse, e di valutare quale di queste soluzioni sia migliore o più efficiente i termini di massa, rigidezza, e di isolamento termico dei componenti elettronici.
Per ognuna di queste tre configurazioni si determineranno le frequenze naturali di vibrazione trasversale della tile sia in modo analitico, attraverso diversi modelli ingegneristici approssimati, sia in modo simulativo tramite elementi finiti con implementazione in Nastran. Con lo stesso modello agli elementi finiti si determinerà il massimo spostamento trasversale della tile simulando la fase di lancio.
Successivamente si andrà a condurre l’analisi termica della tile per determinarne i differenziali di temperatura caratteristici in determinate condizioni di irraggiamento. Infine si valuterà quale configurazione della tile sia più efficiente in termini di rigidezza strutturale, proprietà inerziale ed isolamento termico.