Rapid Space Mission Design, Realization and Deployment

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-06-09
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
60 + app. 90
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 111/2017
Abstract
Space technology has brought a range of existing possibilities for humanity, ranging from navigation, communication and remote sensing to things such as asteroid and planetary prospecting as well as colonization. Development has in part stalled due to a number of reasons. This thesis researches how to potentially accelerate a space mission from drawing board to deployment. The tool used is the fairly recent small satellite concept, which applies standardization, commercial-off-the-shelf components and decreases the satellite's physical dimensions to improve its launch opportunities. The thesis is divided into three main chapters, which combined represent the overall development path that the research took during the thesis. It begins with the introduction of the most popular small satellite platform, the CubeSat, and describes the Aalto-1 CubeSat project. Publication 1 presents the mission of the Aalto-1 CubeSat, where the satellite's three payloads are planned not only to perform technology demonstrations, but also a scientific campaign, giving an example of a CubeSat's capability to perform useful and novel functions. The lessons learned from the project are presented as well as some insight into the management of a student small satellite project and an example subsystem for the CubeSat developed during the project. The project results indicate that one of the most useful applications of CubeSats, or indeed small satellites, is using them in a constellation. This leads to the research presented in the second chapter (Publication 2) which analyzes a range of constellations suitable for a fast revisit time of two hours or less in the polar regions. Some of the main problems were also studied, such as launch opportunities and construction of the constellation, as well as propulsion requirements. The conclusion drawn was that with secondary launch opportunities, in practice propulsion is needed, and that natural precession can alleviate the cost of deltaV needed in exchange for an increased time needed to construct the constellation. The chapter continues with additive manufacturing as a potential way to accelerate especially constellation mission development. This lead to the third major research topic of the thesis - manufacture of space-grade components by combining additive manufacturing and atomic layer deposition. This novel method is presented in Publication 3, in which plastic additive manufactured components are coated with a nanometer-scale uniformly conforming film. The research investigated the benefits in decreasing outgassing with the method, and the results indicate a possible improvement in outgassing, but also an improvement in the structural integrity of the printed component. This research however is just the first attempt in beginning to understand the potential of the method, as both additive manufacturing and atomic layer deposition by themselves have a very large array of applications, and so combining both could possibly realize an even larger array.

Avaruustekniikka on luonut useita uusia hyötyjä ihmiskunnalle. Navigaatio, kommunikaatio ja kaukokartoitus ovat jo tutumpia, mutta horisontissa siintää asteroidien ja jopa muiden planeettojen resurssien hyödyntäminen ja kolonisointi. Kehitys alalla on kuitenkin osittain hidastunut useista eri syistä. Tämä väitöskirja keskittyy tutkimaan millä tavalla olisi mahdollista nopeuttaa avaruusmission kehityskaarta. Työkaluna käytetään suhteellisen uutta konseptia piensatelliitista. Konsepti käyttää standardisaatiota, valmiita komponentteja sekä pienentää satelliitin koon parantaakseen sen laukaisumahdollisuuksia. Väitöskirja on jaettu kolmeen pääkappaleeseen, jotka yhdessä edustavat väitöstutkimuksen valitsemaa polkua. Työ alkaa esittelemällä suosituimman piensatellittityypin, CubeSatin, ja jatkaa esitelemällä Aalto-1 CubeSat projektia. Julkaisu 1 avaa Aalto-1 tehtävää tarkemmin ja esittelee sen tekniset parametrit ja hyötykuormat. Hyötykuormien teknologia on tarkoitus demonstroida avaruudessa ja suorittaa niillä myös tieteellinen mittauskampanja, osoittaen että CubeSat pystyy saavuttamaan uusia ja tietellisesti mielenkiintoisia tuloksia. Aalto-1 projektista opitut kokemukset esitellään, ja projektissa kehityt uudet lähestymistavat opiskelijaprojektin managerointiin ja esimerkki järjestelmä satelliitista avataan. Projektin tulokset viittasivat siihen, että CubeSatien, ja yleensäkin piensatelliittien, yksi hyödyllisimmistä sovelluskohteista on niiden käyttäminen konstellaationa. Täten toinen kappale (julkaisu 2) keskittyy eri konstellaatioiden analyysiin. Tavoitteena julkaisussa oli löytää konstellaatio, joka onnistuisi saavuttamaan kahden tunnin tai alle kohteen näkyvyyden toistoajan maapallon napa-alueilla. Lisäksi julkaisussa tutkittiin eräitä konstellaation pääongelmia, kuten laukaisua, konstellaation muodostusta, sekä tarvittavaa. Tutkimus osoitti, että toissijaista laukaisua käyttäen tarvitaan käytännössä omaa propulsiota, ja että luontainen prekessio saattaa helpottaa tilannetta pidemmän konstellaation rakennusajan hinnalla. Kappale jatkaa kuinka 3D-tulostus saattaa olla mahdollinen menetelmä, jolla nopeuttaa erityisesti konstellaatioihin sopivien avaruusmissioiden kehitystä. Väitöskirjan kolmas isompi julkaisu, avaruuskestävien komponenttien valmistus kombinoimalla 3D-tulostusta ja atomikerroskasvatusta. Tämä uusi menetelmä esitellään julkaisussa 3, ja siinä 3D-tulostetut kappaleet pinnoitetaan nanometritason konformalisella pinnoitteella. Tutkimuksessa keskityttiin analyysoimaan menetelmän hyötyjä materiaalin kaasuuntumisen vähentämisessä. Tulokset viittasivat kaasuuntumisen mahdolliseen vähenemiseen ja tulosteen lisääntyneeseen rakennekestävyyteen. Tutkimus on kuitenkin ensimmäinen laatuaan yrittäessään ymmärtää menetelmän avaruussovellusmahdollisuuksia. 3D-tulostuksessa ja atomikerroskasvatuksessa molemmilla itsessään on laajalti sovelluskohteita, joten menetelmien yhdistely saattaa johtaa vielä suurempiin käyttösovellusmahdollisuuksiin.
Description
Supervising professor
Kallio, Esa, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Thesis advisor
Leskelä, Markku, Prof., University of Helsinki, Finland
Keywords
satellite, spacecraft, aalto-1, constellations, rapid design, rapid manufacturing, atomic layer deposition, additive manufacturing, satelliitti, avaruusalus, konstellaatiot, nopea suunnittelu, nopea valmistus, atomikerroskasvatus, 3D-tulostus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Kestilä Antti, Tikka Tuomas, Peitso Pyry, Rantanen Jesperi, Näsilä Antti, Nordling Kalle, Saari Heikki, Vainio Rami, Janhunen Pekka, Praks Jan, Hallikainen Martti. Aalto-1 nanosatellite - technical description and mission objectives. Geoscientific Instrumentation Methods and Data Systems, Volume 2, pages 121 - 130, February 2013.
    DOI: 10.5194/gi-2-121-2013 View at publisher
  • [Publication 2]: Kestilä Antti, Modrzewski Rafal, Laurila Pekka. Small Satellite Remote Sensing Constellation for Fast Polar Coverage. Journal of Small Satellites, Volume 5, issue 1, pages 419 - 434, February 2016.
  • [Publication 3]: Kestilä Antti, Nordling Kalle, Miikkulainen Ville, Kaipio Mikko, Tikka Tuomas, Salmi Mika, Auer Aleksi, Leskelä Markku, Ritala Mikko. Towards space-grade 3D-printed, ALD-coated small satellite propulsioncomponents for fluidics. Additive Manufacturing, December 2016.
  • [Publication 4]: Praks Jaan, Kestilä Antti, Tikka Tuomas, Leppinen Hannu, Khurshid Osama, Hallikainen Martti. Aalto-1 Earth Observation CubeSat Mission - Educational outcomes. In 2015 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), ISSN:2153-7003, 26-31 July 2015.
    DOI: 10.1109/IGARSS.2015.7326023 View at publisher
  • [Publication 5]: Leppinen Hannu, Kestilä Antti, Tikka Tuomas, Praks Jaan. The Aalto-1 nanosatellite navigation subsystem: development results and planned operations. In 2016 European Navigation Conference (ENC), ISBN: 978-1-4799-8915-7, 30 May-2 June 2016.
    DOI: 10.1109/EURONAV.2016.7530545 View at publisher
  • [Publication 6]: Praks Jaan, Tikka Tuomas, Kestilä Antti, Hieta Maria. Online documentation approach for assisted system engineering and assessment in student projects. In 2015 IEEE Global Engineering Education Conference(EDUCON), ISSN: 2165-9567, 18-20 March 2015.
    DOI: 10.1109/EDUCON.2015.7096032 View at publisher
  • [Publication 7]: Riwanto Bagus, Tikka Tuomas, Kestilä Antti, Praks Jaan. Particle Swarm Optimization with Rotation Axis Fitting for Magnetometer Calibration. Accepted for publication in IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, ISSN: 0018-9251, February 2017.
    DOI: 10.1109/TAES.2017.2667458 View at publisher
Citation