[논문 리뷰] The Design of a Drag-Free CubeSat and the Housing for its Gravitational Reference Sensor

Carlo Zanoni, Abdul Alfauwaz외 12명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 18.

Spacecraft Design and Technology참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 시험 질량에 대한 기계적, 열적, 자기적 간섭을 최소화하기 위해 특수 두꺼운 벽을 가진 알루미늄 케이싱을 사용하여 광학 판독 방식의 중력 기준 센서(GRS)를 탑재한 3U 큐브사트 미션의 설계를 제시한다. 이 케이싱은 1U 크기의 GRS 패키지와 완전한 드래그프리 제어를 가능하게 하여, 소형 인공위성 플랫폼에서 광학 판독 방식을 사용한 첫 번째 미션을 의미한다.

ABSTRACT

A Drag-Free CubeSat mission has been proposed to demonstrate the feasibility of a Gravitational Reference Sensor (GRS) with an optical readout for a 3 units (3U) spacecraft. A purely drag-free object is defined by the absence of all external forces other than gravity, which are shielded by the spacecraft. In a real case, the TM will still be affected by disturbances. Several of them are passively reduced by the design of the TM housing. This system is a thick-walled aluminium box that holds the shadow sensors and shields the TM. The housing has an effect on the mechanical, thermal and magnetic environment around the TM. All of them have been analysed. The mechanical vibrations have to fit the launch environment and the modes have to be outside of the measurement range (0.0001 - 1 Hz). The magnetic field has to be reduced by a 0.01 factor. The temperature difference between internal opposing surfaces, determining pressure on the TM, has to be below 10^-3(1 mHz/f)1/3 K Hz^-1/2. The housing, together with the TM, the sensors and the UV LEDs for charging control, constitutes the GRS, which would then fit into a 1U. The other 2Us are occupied by the caging mechanism that constraints the TM during launch, the thrusters, the Attitude Determination And Control System (ADACS) and the electronics. The Drag-Free CubeSat will be the result of the combined efforts of Stanford, University of Florida, KACST and NASA and will be the first drag-free mission with an optical readout and the first GRS designed within the limits of a 3U small satellite. In the first section, this paper briefly updates on the main characteristics and systems of the project. Particular emphasis is then given to the recently designed housing, its expected performance and the open issues.

연구 동기 및 목표

• 3U 형식에 맞추어 고정밀 중력 기준 센서(GRS)를 탑재할 수 있는 드래그프리 큐브사트 미션을 개발하는 것.
• 목적에 맞는 케이싱을 사용하여 시험 질량(TM)에 대한 외부 간섭—기계적, 열적, 자기적—을 최소화하는 것.
• 소형 인공위성 플랫폼에서 시험 질량 위치의 광학 판독을 마이크로미터 이하의 감도로 실현하는 것.
• 3U 큐브사트에 케이징, 추진, 자세 제어 시스템과 통합된 1U GRS 패키지의 실현 가능성을 검증하는 것.
• 우주 기반 중력 측정에 있어 열 안정성, 자기 차폐, 진동 격리의 열린 과제를 해결하는 것.

제안 방법

• 시험 질량이 기계적, 열적, 자기적 간섭으로부터 보호되도록 두꺼운 벽을 가진 알루미늄 케이싱을 설계하는 것.
• 시험 질량 위치의 전하 제어 및 광학 판독을 위해 색수축 센서와 UV LED를 구현하는 것.
• 측정 대역인 0.0001–1 Hz 외부 기계적 진동을 억제하기 위해 수동 격리 기법을 적용하는 것.
• 케이싱 내부에서 자기장 강도를 100배 감소시켜 시험 질량에 작용하는 로렌츠 힘을 최소화하는 것.
• 온도 기울기의 최소화를 위해 열적 모델링을 수행하여, 대칭 표면 간의 온도 기울기가 10⁻³(1 mHz/f)¹/³ K Hz⁻¹/² 이하로 유지되도록 하는 것.
• GRS를 1U에 통합하고, 나머지 2U는 케이징, 추진, ADACS, 전자기기 등에 할당하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 판독 방식을 갖춘 드래그프리 제어 시스템을 성공적으로 3U 큐브사트 플랫폼으로 소형화할 수 있는가?
• RQ2 작은 케이싱 내부에서 시험 질량에 작용하는 주요 환경 제약 조건(기계적, 열적, 자기적)은 무엇인가?
• RQ3 케이싱 내 수동 설계 특징이 초저중력 과학에 적합한 수준으로 간섭을 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 열 안정성 및 자기 차폐 측면에서 케이싱의 성능 범위는 어떠한가?
• RQ5 1U GRS 패키지가 발사 및 궤도 비행 중 요구되는 안정성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 케이싱은 시험 질량의 기계적 진동을 구조 진동 모드가 0.0001–1 Hz 측정 대역 외부에 위치하도록 함으로써 효과적으로 격리한다.
• 케이싱 내부 자기장은 100배 감소되어 시험 질량에 작용하는 로렌츠 힘을 최소화하는 요구 조건을 충족한다.
• 대칭 표면 간의 열 기울기는 10⁻³(1 mHz/f)¹/³ K Hz⁻¹/² 이하로 유지되어 시험 질량에 압력에 의한 이완 변위를 최소화한다.
• 센서, UV LED, 시험 질량을 포함한 전체 GRS 시스템이 1U 부피 내에 수용되어 3U 큐브사트에 통합 가능하다.
• 이 설계는 소형 인공위성 플랫폼에서 광학 판독 방식을 사용한 드래그프리 미션의 실현 가능성을 입증하며, 이는 유사한 미션 중 첫 번째이다.
• 시스템은 발사 하중에 견고하며 저지구궤도에서 완전한 드래그프리 작동을 지원한다.