Master Thesis - OUFTI-1

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Contents 1 Introduction 13 1.1 The CubeSat program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1.1 The concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1.2 The Pumpkin's CubeSat kit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.1.3 The P-POD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2 OUFTI-1 project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.1 Genesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.2 The launch opportunity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.3 Mission objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.4 OUFTI team . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2 OUFTI-1: Flight system conguration and general properties 20 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2 Reference frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3 Flight system conguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.1 Skeleton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.2 Solar panels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.3 Antenna support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.4 Permanent magnet and hysteretic bars . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3.5 Electronic cards and battery support . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4 Physical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4.1 Catia modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4.2 Center of gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4.3 Inertia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.5 Mass budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3 Design of a new support for the batteries 44 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.2 Problems encountered with the last year's design . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3 Available mass budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3

3.4 Initial idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.5 Battery selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.6 Material selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.6.1 Denition of the requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.6.2 Objective function and CES software . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.7 Thermal control's devices selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.7.1 Heaters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.7.2 Heaters' control system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.7.3 Thermal insulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.8 Final design of the support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.9 Validation of the design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.9.1 Mass budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.9.2 Static loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.9.3 Dynamic behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4 Electronic cards dynamic modeling 72 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2 State-of-the-art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.1 Accuracy of the model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.2.2 Creating FE models of PCBs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2.3 Determination of the PCB properties . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2.4 Choice of mesh element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.2.5 Recognition of components eects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.2.6 Modeling of the chassis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.7 Denition of the boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.8 Introduction of damping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.2.9 Dynamic response computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3 Application to the homemade on-board computer of OUFTI-1 . . . . . . . 85 4.3.1 Denition of the PCB properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.3.2 Recognition of the components eects . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.3.3 Experimental test of the OBC 2 card . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.3.4 Application of the simple method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.3.5 Application of the global mass smearing method . . . . . . . . . . . 93 4.3.6 Application of the local mass smearing method . . . . . . . . . . . 94 4.3.7 Application of a homemade method . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.3.8 Sensitivity analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4

3.4 Initial idea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47<br />

3.5 Battery selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49<br />

3.6 Material selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51<br />

3.6.1 Denition of the requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51<br />

3.6.2 Objective function and CES software . . . . . . . . . . . . . . . . . 53<br />

3.7 Thermal control's devices selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55<br />

3.7.1 Heaters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55<br />

3.7.2 Heaters' control system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56<br />

3.7.3 Thermal insulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58<br />

3.8 Final design of the support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59<br />

3.9 Validation of the design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63<br />

3.9.1 Mass budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63<br />

3.9.2 Static loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65<br />

3.9.3 Dynamic behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68<br />

3.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70<br />

4 Electronic cards dynamic modeling 72<br />

4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72<br />

4.2 State-of-the-art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72<br />

4.2.1 Accuracy of the model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73<br />

4.2.2 Creating FE models of PCBs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74<br />

4.2.3 Determination of the PCB properties . . . . . . . . . . . . . . . . . 74<br />

4.2.4 Choice of mesh element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76<br />

4.2.5 Recognition of components eects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79<br />

4.2.6 Modeling of the chassis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82<br />

4.2.7 Denition of the boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . 82<br />

4.2.8 Introduction of damping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82<br />

4.2.9 Dynamic response computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84<br />

4.3 Application to the homemade on-board computer of <strong>OUFTI</strong>-1 . . . . . . . 85<br />

4.3.1 Denition of the PCB properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85<br />

4.3.2 Recognition of the components eects . . . . . . . . . . . . . . . . . 86<br />

4.3.3 Experimental test of the OBC 2 card . . . . . . . . . . . . . . . . . 88<br />

4.3.4 Application of the simple method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91<br />

4.3.5 Application of the global mass smearing method . . . . . . . . . . . 93<br />

4.3.6 Application of the local mass smearing method . . . . . . . . . . . 94<br />

4.3.7 Application of a homemade method . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95<br />

4.3.8 Sensitivity analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97<br />

4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100<br />

4

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