Problemi da affrontare nella progettazione di un Cubesat

 

PROBLEMI DA AFFRONTARE NELLA PROGETTAZIONE DI UN CUBESAT
In questo articolo riportiamo un estratto del lavoro di tesi del nostro collega neolaureato Emanuele Sartorini, che tratta le eventuali problematiche che si possono riscontrare nella fase di progettazione di un Cubesat.

Standard Cubesat
Di pari passo alla progettazione e realizzazione dei primi micro e nano-satelliti, nacquero i primi standard progettuali in termini di peso e dimensioni. Il più famoso ed utilizzato è lo standard Cubesat 1U. Esso definisce le dimensioni fisiche in termini di peso e volume di un nanosatellite.

Fig. 1: Varie configurazioni CubeSat
Fig. 1: Varie configurazioni CubeSat

 

Un’unità Cubesat deve avere un fattore di forma cubico di lato 10 cm, corrispondente dunque ad un volume di 1 dm3, e massa non superiore a 1.33 Kg.
Combinando insieme più unità singole, come in Figura 1, si possono aumentare dimensioni, spazio per i sistemi interni e peso massimo arrivando ad ottenere CubeSat 3U, 6U o 12U proprio come per i mattoncini Lego. Ogni unità sarà riempita con diversi sottosistemi che chiameremo payload le cui caratteristiche dipendono molto dal tipo di missione per il quale è stato progettato il Cubesat.

In generale però si possono trovare dei sottosistemi comuni a tutti i nano-satelliti: pannelli solari, antenne, computer di bordo (OBC), controllo d’assetto (ADCS), unità di gestione della potenza (EPS), modulo radio (TRX) e uno o più carichi secondari che chiameremo secondary payload. I vari payloads e bus di comunicazione verranno ripresi ed approfonditi in seguito.

Progettazione Meccanica
Durante la progettazione strutturale del Cubesat la scelta dei materiali da utilizzare è critica in quanto si deve tener conto di fenomeni legati all’ambiente estremo (Spazio) in cui lo stesso si troverà ad operare. Le variabili ambientali che caratterizzano lo spazio sono principalmente: l’assenza di atmosfera e la presenza di escursioni termiche estreme con temperature che in orbita bassa (LEO, Low Earth Orbit) possono andare da -170 °C a +123 °C. Quest’ultima crea il problema della dilatazione termica del materiale ed ostacola o favorisce eccessivamente la dissipazione di calore generato dai sistemi interni del Cubesat.

Fig. 2: Modello a CAD 3D di una struttura principale di un CubeSat 3U
Fig. 2: Modello a CAD 3D di una struttura principale di un CubeSat 3U

 

Dilatazione termica
La dilatazione termica è un fenomeno fisico che si realizza quando un corpo aumenta di volume all’aumentare della temperatura. Tale aumento è causato dalla variazione dell'oscillazione degli atomi attorno al punto di equilibrio, che normalmente viene identificato con la lunghezza di legame.

Durante la progettazione di strutture, schede elettroniche ed antenne che in genere sono di tipo eterogeneo multistrato, si dovrà dunque tenere conto del coefficiente di dilatazione termica dei vari materiali a contatto tra loro. In particolare per quanto riguarda le antenne, al fine di evitare separazione tra lo strato dielettrico e quello metallico, i due dovranno avere un coefficiente di dilatazione termica molto simile.

Outgassing e Whiskering
Tra i problemi generati dall’assenza quasi totale di particelle di aria e quindi di pressione troviamo i fenomeni di outgassing e whiskering. Il primo è intrinseco in qualsiasi materiale mentre il secondo è proprio di alcuni metalli. Partiamo dal fenomeno dall’outgassing che è definito come la capacità da parte di un materiale di rilasciare gas precedentemente intrappolato. Si tratta di un fenomeno da non sottovalutare nella progettazione in quanto l’atmosfera (quindi un gas) intrappolata all’interno dei sottosistemi del satellite, tenterà di uscire a causa della differenza di pressione tra esterno (vuoto) ed interno (pressione atmosferica): ciò potrebbe provocare danni, a meno che non se ne agevoli il processo.
Nelle PCB (Printed Circuit Board), l’outgassing, può portare al danneggiamento della soldermask, un sottile strato di materiale polimerico che protegge le piste di rame.

Il wiskering invece è un fenomeno per il quale, in condizione di vuoto, si vengono a creare sottili cristalli di metallo che possono dare luogo a cortocircuiti tra due contatti elettrici vicini. Esso è proprio soltanto di alcuni materiali tra i quali ci sono: lo zinco, l’ottone e il cadmio.

Materiali usati per la struttura
Generalmente i materiali utilizzati per la struttura primaria (Figura 2) sono sia metallici che non metallici. Tra i metalli troviamo spesso l’alluminio che conferisce robustezza alla struttura senza appesantirla troppo. Per i materiali compositi invece il discorso è molto più ampio, si stanno infatti studiando materiali sempre migliori ed innovativi orientati all’uso nell’industria additiva (Stampa 3D). Uno degli ultimi ritrovati nel campo spaziale in orbita bassa adatto alla tecnologia di stampa 3D, è un materiale composito a base poliammidica caricato con fibre di carbonio chiamato Windform® XT 2.0.

Emanuele Sartorini

 

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