Structural analysis of a CubeSat

Abstract

This Treball Final de Grau consists on developing, executing and assessing the results of a series of FEM structural analyses aimed to demonstrate the that the 3CAT-4 nanosatellite complies with all necessary structural requirements stablished by the European Space Agency (ESA). 3CAT-4 is an educational space mission developed at UPC’s NanoSat Lab as part of the second edition of the Fly Your Satellite program of the European Space Agency academy. The satellite and most of its subsystems have been developed by bachelor, masters and PhD students. The satellite is a technology demonstrator for its payload, the Flexible Microwave Payload (FMPL-1), which integrates different mission experiments in a single subsystem with the goal of efficiently obtaining a set of earth observables. The analyses performed are based on the elaboration of a simplified model of the satellite, which is built according to a set of assumptions used for simplification. The simplified model is built with the aim of obtaining a model able to replicate the structural behaviour of the real satellite albeit with a simpler geometry which can be used for FEM simulations. After the simplified model is obtained, it is used to perform a set of modal, random vibrations, quasi static loads and shock analyses in a FEM software environment. Afterwards, the results are analysed and the fulfilment of the structural requirements is assessed according to ESA’s guidelines. In general, the results are considered positive as the satellite complies with ESA’s structural requirements. However, some analyses show anomalous results due the complexity of their nature.

Aquest Treball Final de Grau consisteix a desenvolupar, executar i analitzar els resultats d'una sèrie d'anàlisis estructurals de tipus FEM amb l'objectiu de demostrar que el satèl·lit 3CAT-4 compleix amb una sèrie de requisits estructurals establerts per l'European Space Agency (ESA). 3CAT-4 és una missió espacial educacional desenvolupada al NanoSat Lab de la UPC, com a part de la segona edició del programa Fly Your Satellite! de l'acadèmia de l'European Space Agency. El satèl·lit i la majoria dels seus subsistemes han estat desenvolupats per estudiants de grau, master y doctorat..El satèl·lit és un demostrador de tecnologia per a la seva càrrega, el Flexible Microwave Payload (FMPL-1), que integra els diversos experiments de la missió en un únic subsistema amb l'objectiu d'obtenir un conjunt de paràmetres d'observació terrestre. Els anàlisis executats estan basats en l'elaboració d'un model simplificat del satèl·lit, que ha estat elaborat d'acord amb un grup d'assumpcions utilitzades per a simplificar-lo. El model simplificat s'elabora amb l'objectiu d'obtenir un model capaç de replicar el comportament estructural del satèl·lit real, tot i que amb una geometria simplificada que pot ser utilitzada per a simulacions de tipus FEM. Després d'obtenir el model simplificat, aquest s'utilitza per a realitzar una sèrie d'anàlisis modals, de vibracions aleatòries, de càrregues quasi estàtiques i de xocs en un entorn de software tipus FEM. Després, els resultats s'analitzen i s'avalua el compliment dels requisits estructurals d'acord amb les pautes de l’ESA. En general, els resultats es consideren positius, ja que el satèl·lit compleix els requisits estructurals de l'ESA. Tot i això, alguns anàlisis mostren resultats anòmals a causa de la complexitat d'aquests.