Juni 2015
Modulär Mekanikstruktur för Nanosatelliter
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
Carl-Oscar Helleblad Nymo & Joakim Skarpsvärd
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.
ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2015/10-SE Examinator: Claes Aldman
Ämnesgranskare: Lars Degerman Handledare: Mattias Örth
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 forsk- ningsuppdrag 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 Cu- beSat. 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 1U- strukturer 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 ro- bust 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 kravspeci kation uppnåddes alla applicerbara mål, förutom på 3U-strukturen för CSD som överskred viktkriteriet med ca 45 g. En kort konkur- rentanalys genomfördes vilket visade på positiva resultat. Inför fortsatt arbete re- kommenderades att en reell kostnadsanalys genomförs och en prototyp tillverkas för vidare bedömningar.
Nyckelord: CSD, CubeSat, Konstruktion, Modularitet, Nanosatellit, P-POD
Förord
Som avslutning på Högskoleingenjörsprogrammet i Maskinteknik, vid Uppsala Uni- versitet, 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 intres- sant bransch, vilket har varit mycket intressant och givande.
Stort tack till vår ämnesgranskare Lars Degerman, programansvarig på Maskiningen- jörsprogrammet vid Uppsala Universitet, för sitt engagemang under utbildningens gång.
Uppsala, juni 2015
Carl-Oscar Helleblad Nymo & Joakim Skarpsvärd
Innehåll
1 Inledning . . . 1
1.1 Bakgrund . . . 1
1.2 Problembeskrivning . . . 1
1.2.1 Allmänna krav . . . 1
1.2.2 Krav på modularitet . . . 2
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) Speci cation . . . 6
2.1.3 Poly Picosatellite Orbital dispenser (P-POD) . . . 6
2.1.4 Canisterized Satellite Dispenser (CSD) . . . 7
2.2 Tidigare projekt . . . 7
2.2.1 CubeSat-baserade projekt . . . 7
2.2.2 Projekt utanför CubeSat-standarden . . . 10
2.3 Modularitet . . . 13
2.3.1 Modulära produkter . . . 13
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 . . . 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 . . . 25
3.2 Jämförelse av koncept . . . 25
3.3 Förbättrade koncept . . . 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
4 Resultat . . . 32
5 Detaljkonstruktion . . . 34
5.1 Basplatta . . . 34
5.1.1 Dimensioner . . . 34
5.1.2 Beskrivning av detalj . . . 34
5.2 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
5.3 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
Figurer
1.1 Nyttolast för CSD och CSD-kontakt . . . 2
1.2 P-POD - hela dispensern t.v. och insidan t.h. . . 3
2.1 CSD-dispenser och xeringspunkter . . . 7
2.2 Konstruktion enligt McNutt (2009) . . . 8
2.3 Modulär 3U-struktur enligt Cihan et al (2011) . . . 8
2.4 ISIS 3U och 6U . . . 9
2.5 3U och 6U från Pumpkin Inc. (2014) . . . 10
2.6 Struktur enligt Anubhav et al (2003) . . . 11
2.7 Struktur enligt Spencer & Willingham (2012) . . . 12
2.8 Struktur enligt Chandramouli & Gulati (2012) . . . 12
3.1 Lösa skisser sida 1 . . . 19
3.2 Lösa skisser sida 2 . . . 20
3.3 Generell hyllplanslösning . . . 20
3.4 Meccano med hyllplanslösning . . . 21
3.5 Lådmodul med montageplatta . . . 22
3.6 Monteringsplatta . . . 22
3.7 Sprängvy av 3U-enhet t.v. och montering av 6U-enhet t.h. . . 23
3.8 Skenfri sprängskiss . . . 24
3.9 Påbyggnadsringar sprängskiss . . . 25
3.10 Gångjärn . . . 27
3.11 Skenfri 2.0 . . . 28
3.12 Påbyggnadsringar 2.0 . . . 29
3.13 Meccano 2.0 . . . 29
3.14 Obockat hyllplan i plåt till Meccano 2.0 . . . 30
4.1 3U för P-POD . . . 32
4.2 3U för CSD . . . 32
4.3 6U för CSD . . . 33
5.1 Basplattans pro l- och översiktsbild. . . 34
5.2 Ovansidans pro l- och översiktsbild . . . 35
5.3 Kortsida . . . 36
5.4 Kontakturskärning i kortsidan . . . 37
5.5 De första hyllplanen . . . 38
5.6 Hyllplan 6U . . . 39
5.7 Illustration av kabeldragningsutrymmet i 6U-strukturen . . . 39
5.8 Hyllplan 3U för CSD och P-POD . . . 40
6.1 Spänningsförhållanden för 6U. . . 44
6.2 Deformation för 6U. . . 44
Tabeller
2.1 Diverse aluminiumlegeringar . . . 17
3.1 Inlednade jämförande matris . . . 26
3.2 Ny matris med Meccano som referens . . . 27
3.3 Matris för vidare jämförelse . . . 30
6.1 Egenfrekvenser för 6U . . . 42
6.2 Egenfrekvenser för 3U - CSD . . . 43
6.3 Egenfrekvenser för 3U - P-POD . . . 43
6.4 Kostnad för 6U CSD-struktur . . . 45
6.5 Kostnad för 3U CSD-struktur . . . 46
6.6 Kostnad för 3U P-POD-struktur . . . 46
6.7 Matris för konkurrentanalys . . . 47
Nomenklatur
AFRL US Air Force Research Laboratories CAD Computer Aided Design
CDS CubeSat Design Speci cation 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
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 van- ligtvis 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 kö- pa 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 nanosatel- liter, 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 mekanikkonstruk- tion. 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, le- da bort och fördela värme, tillhandahålla ett mekaniskt gränssnitt mellan satelliten och utlösningsanordningen, verka som ett robust gränssnitt och skydd för monte- ring 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 Pump- kin 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)
1.2.2 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 be nner 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 kravspeci kationen (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 kravspeci kationen (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.
Material som används ska uppfylla utgasningskriterier enligt 2.2.4.1-2 i kravspeci - kationen.
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 shock- tester 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 sam- mantsällningsritningar, 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. 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 nano- satelliter, som dels ska nnas som underlag för en kravspeci kation för mekanik- strukturen, 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 vetenskap- liga publikationer. Litteraturstudien avslutas med en färdigställd kravspeci kation.
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 kravspeci kationen, för att säkerställa att de är genom- förbara.
När ertalet koncept tagits fram, ska de jämföras mot varandra och tillgängliga konstruktioner som redan nns på marknaden. Detta ska göras med hjälp av Pugh- matriser, där kriterier utifrån kravspeci kationen 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 identi erats, 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 bedö- mas utifrån kravspeci kationen.
Slutligen i arbetet ska en studie i tillverkningskostnad genomföras, där de två för- slagen 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 konstruk- tion, som inte kräver alltför komplicerade tillverkningstekniker. Denna studie kom- mer 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.
1.5 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 mekanikstruktu- ren. 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
2.1 Standarder
För nanosatelliter nns standarder som förenklar rymdprojekt och kommersialise- ring. 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 kom- ponenterna.
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 Labo- ratory. 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 betyd- ligt 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) Speci cation
Pumpkin har tagit fram en kretskortstandard för CubeSat Kit, som förenklar mon- tering 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 samman- kopplas, med genomgående kontakter. I dagsläget har standarden blivit vedertagen, och i princip alla tillverkare av intern elektronik för nanosatelliter följer den (Pump- kin Inc., 2007).
2.1.3 Poly Picosatellite Orbital dispenser (P-POD)
När Cal Poly tog fram CubeSat-standarden tog de även fram en utskjutningsmeka- nism, som rymmer 3U. P-POD är en rektangulär låda, av anodiserad aluminium, med en lucka och en fjädermekanism inuti. De CubeSats som be nner sig inuti lå- dan 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 längd- riktning, som alla CubeSats ska ligga an mot med angivna toleranser, och som de sedan glider längs vid utskjutning (Cal Poly, 2014).
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 sa- telliter 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 kon- takt åter nns även längst in i dispensern, som ska kopplas samman med en motsva- rande kontakt i satelliten. Den tillåter laddning under uppskjutning, samt jordning av satelliten (PSC, 2014).
Fig. 2.1: CSD-dispenser och xeringspunkter
2.2 Tidigare projekt
Sedan formatet för CubeSat, mer eller mindre standardiserades, har det genomförts många arbeten på området, från att universitet tagit fram strukturer för speci - ka 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 cen- tralare 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 gång- järn 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 sido- panel nns det även plats för ett PCB vilket gör att kubens väggar även fungerar som ett integrerat utrymme för ett kretskort.
Fig. 2.2: 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. Syste- met 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 använd- ningen 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
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 boc- kad 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 uppskal- ning 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).
Fig. 2.5: 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 de nierade 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 speci ka komponenter, men även upp till sju stycken kretskort av större storlek, som inte följer någon speci k standard. Detta projekt verkar något speciellt jämfört med andra, eftersom att strukturen inte direkt utformats för ett speci kt 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).
Fig. 2.6: 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. Egenfrekvensa- nalyser 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).
Fig. 2.7: Struktur enligt Spencer & Willingham (2012)
Ett indiskt projekt, drivet av studenter, för att mäta variationer av elektron- och proton ödet 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. Struktu- ren 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)
2.3 Modularitet
Modularitet kan beskrivas som strävan efter att identi era oberoende, standardise- rade, och utbytbara enheter med syftet att tillfredställa ertalet funktioner. Modu- laritet kan utnyttjas inom produktdesign, designproblem, och produktionssystem, vilket ofta är önskvärt. Kombineras dessa tre får åstadkoms en modulär designpro- cess 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 kon gurationerna. 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 klassi ceringar 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 kompo- nenter 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 komponen- ten är densamma, medan basprodukten byts ut, och blir ett komplement till den klassi ceringen. Detta skulle i praktiken kunna vara till exempel använ- dandet 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 di- mensioner 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 de nie- ras den typen av modularitet, som tillåter baskomponenterna att variera till
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 modu- laritet. 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 modularitetsklassi-
ceringarna 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 åter nns, 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 inte att vara så modulär som möjligt, av rapportens innehåll att döma. Fabricate-to-
t kan man argumentera för huruvida det nns, med anledning av att det presenteras 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 hål- bild, 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 ap- plicera produktmodularitet utifrån 2.3.2 på en mekanikstruktur för nanonsatelliter de nitivt 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 &
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 oför- utsedda 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 Com- pany. Variationer syftar exempelvis till hur kunder använder produkter, variation i tillverkningsprocessen och skillnad i användningsmiljö beroende på olika tempera- turer, 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 de nierade enligt standard (Bergman & Klefsjö 2012, ss 199-205).
Till vissa av dessa faktorer nns god möjlighet för att minska variationskänslig- heten. De störfaktorer som kan uppstå i tillverkningsprocessen härrör bland annat från toleranssättning. Det nns olika synsätt på hur en tolerans de neras. Det klas- siska 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 toleranspåbygg- nad (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 längdutvidgningskoe cient 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. Viktbe- gränsningar leder mot material med låg densitet men faktorer som hållfasthet, styv- het, termisk ledningsförmåga, utvidgningskoe cient, tillverkningsbarhet, och mate- rialkostnad spelar också en viktig roll. De speci ka krav som ställs på materialet är:
• Det ska ha bra egenskaper gällande bearbetning
• Utvidgningskoe cienten ska vara likvärdig med materialet som används i P- POD 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 be nner sig i består i princip av ingenting, ett vakuum så när som på ett fåtal partiklar. När ett material yttas från en tryck- satt 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 dispen- sern. 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 längdutvidgningskoe cient och är rätt mjukt. Metal- len härdas dock sedvanligen för att öka dess hårdhet (Ullman, 2003, s 265).
För att förbättra aluminiumets grundegenskaper legeras den med olika ämnen. Det- ta kan öka korrisionsbeständigheten, hållfastheten, svetsförmågan, och/eller utmatt- ningsegenskaperna 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. Le- geringar innehållade större mängder zink försämrar denna egenskap. Nedan följer en
tabell som åskådliggör olika härdbara aluminiumlegeringar (Ullman, 2003, ss 285- 286; 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 legering- ars 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 (g/cm^3)
Brott- gräns (MPa)
Sträck- gräns (MPa)
Längd- utvidgnings-
koe cient (per °C x
10^-6)
Hårdhet (HBW)
Värme- lednings-
förmåga W/(m°C)
Al-2024-T6 2,80 425 485 22,7 150 134-192
Al-6061- T651
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
Al-2024 är legerat med bl.a. koppar som ger en hög hållfasthet men har lägre korri- sionsbeständighet och svetsbarhet. Vid spånbrytande bearbetning bildas korta spi- raler. 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 förekom- mande aluminiumlegeringarna både i rymdkonstruktioner och överlag. (Tibnor AB, u.å.).
Al-6082 har en hög hållfasthet och goda korrisionsegenskaper tack vare sin kisel- och 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. An- vänds 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 in- om ygindustrin på grund av sin goda hållfasthet i förhållande till vikt (Tibnor AB, u.å; Mahesh Babu et al, 2010).
2.6 Viktiga parametrar
Inför konceptgenereringen identi erades 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 de nieras som den uppskattade tiden för att montera ihop en 6U-struktur till sin slutgiltiga kon guration 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 klassi ceringar 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
Konceptgenereringen utgick från kravspeci kationen 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. Huvud- sakligen 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
Fig. 3.2: 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 mekanikstruk- turen. 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
Fig. 3.4: 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 aluminiumpro ler vilket bidrar till lägre tillverkningskostnad. Även vertikala väggar, som fästs i de ho- risontella 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
Fig. 3.5: Lådmodul med montageplatta
Fig. 3.6: Monteringsplatta
Principen bakom detta koncept är att det enkelt ska gå att öppna och stänga struk- turen för att möjliggöra enkel montering. Konceptet består av två huvudsakliga delar; lådmodulen och montageplattan. Lådmodulen består av 4 sidor som monte- ras 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
sammankopplingen i CSD. Kortsidan på plattan representerar den delen av struk- turen 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 ba- seras 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 tillväga- gångssätt för uppskalning antas en stor del av grundstrukturens stabilitet påverka större kon gurationer positivt. Tanken är att i princip hela strukturens modularitet ska vara mekanisk och att gränssnitt för P-POD är integrerat i grundkonstruktio- nen. 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.
3.1.5 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.
3.1.6 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 modi eras 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
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 referen- sen. 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.
Tab. 3.2: Ny matris med Meccano som referens
3.3 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
Konceptet borde kanske ha varit med bland de första, men togs fram till de för- bättrade 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 åter nns 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 åter nns 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 hyll- planslösning är tänkt att implementeras i detta koncept dessutom, men ej de nierat 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 förändra- des 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.
3.3.3 Påbyggnadsringar 2.0
Fig. 3.12: Påbyggnadsringar 2.0
I denna uppdaterade version har en del stora förändringar genomförts. Det huvud- sakliga, 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 säker- ligen 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
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 lång- sidan 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: Obockat hyllplan i plåt till Meccano 2.0
3.4 Utvärderingsmatris
De förbättrade koncepten, inklusive Gångjärn, genomgick ännu en Pugh-matris. Re- sultatet illustreras nedan.
Tab. 3.3: Matris för vidare jämförelse
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 in- ställda 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 inner- väggarna, 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 speci kt uppdrag.
4 Resultat
Resultatet blev tre strukturer som planerat. De ingår alla i samma sammanställ- nings l för Solidworks och växlas mellan varandra genom färdiga kon gurationer för var och en av dem.
Fig. 4.1: 3U för P-POD
Fig. 4.2: 3U för CSD
Fig. 4.3: 6U för CSD
Utifrån kravspeci kationen uppfyller koncepten nästan samtliga krav som blir re- levanta 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
Detta avsnitt syftar till att i detalj förklara och motivera hela strukturens uppbygg- nad, 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 pro l- och översiktsbild.
5.1.2 Beskrivning av detalj
Basplattan är den del som lägger grunden för gränssnittet för CSD, som har en pro l 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 sta- biliserar 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
5.1 visar basplattans pro l, sett från kortsidan, samt en översiktsbild ovanifrån. 3U- varianten 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 de nierat hur fönstren ska se ut. Hålbilden är placerad på sådant vis att det går att montera hyllplanen antingen i längd- eller breddriktning- en. 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 PC- 104 inte kan monteras med den längre sidan vertikalt över dem i längd- eller bredd- riktning. 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 kon gurationen 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 pro l- och översiktsbild
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 kon guration.
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. Pro len 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 in- tegrerade, 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
5.3.1 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 kon gurationer, för att passa de tre olika strukturkon gurationerna. 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,
