CubeSat – Meet the Structural and Thermal Subsystem

Structural
Κάθε κατασκευαστής υπεύθυνος για το σχεδιασμό του δομικού σκελετού ενός δορυφόρου πρέπει να εξασφαλίσει ότι αυτός θα είναι σε θέση να αντέξει το σύνολο των φορτίων που θα του επιβληθούν καθ’όλη τη διάρκεια της αποστολής.
Τι εννοούμε όμως όταν αναφερόμαστε σε φορτία; Παρ’ όλο που στο απόλυτο κενό του διαστήματος δεν υπάρχουν τριβές για να καταπονήσουν τη δομή του δορυφόρου, οι ακραίες θερμοκρασιακές μεταβολές λόγω της συνεχούς εναλλαγής της τροχιάς του ανάμεσα στην ηλιοφάνεια και την σκιά καθιστούν αναγκαία την χρήση υλικών ικανών να διατηρούν το μέγεθος και το σχήμα τους. Επιπλέον, αυτό που πρέπει να ληφθεί κυρίως υπόψιν είναι οι εξαιρετικά έντονες δυνάμεις και ταλαντώσεις που αναπτύσσονται κατά την εκτόξευση με τον πύραυλο που θα θέσει σε τροχιά τον δορυφόρο. Για να μιλήσουμε με αριθμούς, οι δυνάμεις αυτές μπορούν να φτάσουν σε επίπεδα έως και δεκαοκταπλάσια της δύναμης της βαρύτητας! Γίνεται αντιληπτή λοιπόν η ανάγκη για δομές με ακεραιότητα σε υψηλές τάσεις και εφελκυσμούς.

Η ομάδα του Structural διασφαλίζει την εν λόγω ακεραιότητα της κατασκευής του CubeSat μέσα από ένα λεπτομερέστατο σχεδιασμό. Κάθε εξάρτημα αλλά και ο σκελετός του νανοδορυφόρου συνολικά ελέγχονται μέσω στατικών αναλύσεων (static analysis) και αναλύσεων αντοχής σε ταλαντώσεις (vibration analysis). Σε περίπτωση που κάποιο στοιχείο αστοχήσει, επανασχεδιάζεται και αναδιαμορφώνεται αντίστοιχα.
Μια ακόμα υποχρέωση του υποσυστήματος είναι η ρύθμιση της συνολικής μάζας και κατανομής αυτής στο σώμα του δορυφόρου, τοποθετώντας σωστά τα τεμάχια που τον αποτελούν. Το συνολικό βάρος του CubeSat δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 4 κιλά, ενώ το κέντρο βάρους του πρέπει να βρίσκεται σε μέγιστη απόσταση 10-15 χιλιοστών από το γεωμετρικό του κέντρο. Τα παραπάνω είναι αναγκαία ώστε να αποτραπούν η υπερφόρτωση του εκτοξευτήρα με επιπλέον βάρος και η ανεξέλεγκτη περιστροφή του CubeSat μετά την απελευθέρωσή του στο διάστημα.
Η ομάδα του Structural αποτελείται από τον Βασίλη και τον Χρήστο, και οι δυο προπτυχιακοί φοιτητές του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του ΑΠΘ, οι οποίοι το παρόν χρονικό διάστημα ασχολούνται με τη μελέτη καινούργιων αναλύσεων για τη βελτίωση της αντοχής της κατασκευής.
Thermal
Στο απόλυτο κενό του διαστήματος, οι τρόποι με τους οποίους διαδίδεται η θερμότητα αλλάζουν. Η έλλειψη των ατμοσφαιρικών σωματιδίων αποκλείει την συναγωγή ως τρόπο μετάδοσης της θερμότητας, οπότε μένει μόνο η ακτινοβολία. Κατά περίπου τα ⅔ της κάθε τροχιάς το CubeSat θα βρίσκεται υπό το φως του Ήλιου, με αποτέλεσμα να αρχίζει να θερμαίνεται. Επομένως θα πρέπει με κάποιο τρόπο να μοιραστεί η θερμότητα σε όλο το CubeSat και να ακτινοβοληθεί στο διάστημα τυχόν πλεόνασμα θερμότητας. Αν κάτι τέτοιο σας ακούγεται εύκολο, σκεφτείτε την ακόλουθη αναλογία: Το κινητό σας θα πρέπει να λειτουργεί όταν η μία πλευρά του βρίσκεται μπροστά από ένα ζεστό φούρνο ενώ η άλλη πλευρά εκτίθεται στο ψυχρό υγρό άζωτο.
O επιπλέον περιορισμός που απαιτεί η βιολογική αποστολή για την οποία η θερμοκρασία δεν θα πρέπει να ξεπεράσει τους 30 βαθμούς Κελσίου σε συγκεκριμένα σημεία ώστε να επιβιώσουν οι μύκητες, δυσχεραίνει περαιτέρω την δουλειά της υποομάδας του Thermal. Επιπλέον, διαφορετικά εξαρτήματα έχουν διαφορετικά όρια θερμοκρασίας τα οποία πρέπει να τηρηθούν για να παραμείνει λειτουργικό το CubeSat στο διάστημα. Για αυτό το λόγο η υποομάδα του Thermal θα επιλέξει τα κατάλληλα θερμαντικά σώματα και μονωτικά υλικά (MLI blankets). Για να γίνουν τα παραπάνω με σωστό τρόπο, θα πρέπει επίσης να εκτελεστεί η λεγόμενη θερμική ανάλυση η οποία επιβεβαιώνει την καλή λειτουργία του δορυφόρου στο διάστημα. Σε μελλοντικό χρόνο η υποομάδα του Thermal θα είναι υπεύθυνη για την διεξαγωγή των δοκιμών θερμικού κενού (thermal vacuum tests), οι οποίες θα επιβεβαιώσουν και πειραματικά την αντοχή του δορυφόρου στις αντίξοες αυτές συνθήκες.

Η υποομάδα του Thermal αποτελείται από τρία μέλη, την Βασιλική, τον Δημήτρη και τον Νίκο, και οι τρεις προπτυχιακοί φοιτητές του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Αυτή την περίοδο ο Δημήτρης ασχολείται με την ανάλυση της μόνιμης κατάστασης (steady state analysis), η οποία θα χρησιμοποιηθεί για να αποφασιστούν οριστικά τα μονωτικά υλικά που θα χρησιμοποιηθούν. Η Βασιλική και ο Νίκος ασχολούνται με μια πρώτη θερμική ανάλυση του νανοδορυφόρου, με την οποία θα γίνει περαιτέρω κατανοητή η θερμική καταπόνηση του δορυφόρου.