小型電離層探測儀搭載於衛星之結構設計

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姓名

余柏毅(Bo-Yi Yu) 查詢紙本館藏

畢業系所

太空科學與工程學系

論文名稱

小型電離層探測儀搭載於衛星之結構設計
(Structural Design of Compact Ionospheric Probe Mounted on Satellites)

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摘要(中)

本論文將探討小型電離層探測儀(Compact Ionospheric Probe, CIP)搭載於國立中央大學太空酬載實驗室研製的珍珠號(Propagation Experiment using Kurz-Above-band Radio in Low earth orbit -1C, PEARL-1C)立方衛星和南洋理工大學研製的ELITE衛星之結構設計與模擬分析。小型電離層探測儀為量測電漿特性之科學酬載，為了可以靈活地搭載在不同衛星上，以及解決前一版本小型電離層探測儀的散熱問題，將酬載進行模組化設計。本文將對模組化設計與因應搭載不同衛星的結構設計進行結構模擬分析、熱傳模擬分析與軌道熱模擬分析，以及對實際製作的工程驗證體進行環境測試與驗證分析，以評估小型電離層探測儀的結構設計是否能夠承受火箭發射過程的劇烈條件與太空環境的嚴苛挑戰。

摘要(英)

The purpose of this thesis explores the structural design and simulation analysis of the Compact Ionospheric Probe (CIP), mounted on the PEARL-1C (Propagation Experiment using Kurz-Above-band Radio in Low Earth Orbit-1C) CubeSat developed by the National Central University Space Payload Laboratory and the ELITE satellite developed by Nanyang Technological University. The CIP is a scientific payload designed to measure plasma characteristics. To allow flexible mounting on different satellites and to address thermal issues encountered in the previous version of the CIP, the payload has been redesigned with a modular approach. This thesis includes structural simulation analysis, thermal conduction simulation analysis, and orbital thermal simulation analysis for the modular design and its adaptation to different satellites. Additionally, environmental testing and validation analysis were conducted on the engineering model to evaluate whether the CIP′s structural design can withstand the rigorous conditions of rocket launch and the harsh challenges of the space environment.

關鍵字(中)

★ 小型電離層探測儀

關鍵字(英)

論文目次

摘要 i
ABSTRACT ii
目錄 iii
圖目錄 v
表目錄 x
一、緒論 1
1.1 小型電離層探測儀介紹 1
1.1.1 酬載架構 1
1.1.2 測量模式 2
1.2 科學任務介紹 3
1.2.1 PEARL-1C立方衛星任務 3
1.2.2 ELITE衛星任務[12] 3
1.3 研究目標 4
二、小型電離層探測儀(CIP)結構設計 5
2.1 基本規格與配置 5
2.2 結構固定設計與散熱設計 8
2.2.1 結構固定設計 8
2.2.2 散熱設計 10
2.3 CIP與衛星連接介面 12
2.3.1 CIP與PEARL-1C立方衛星連接介面 12
2.3.2 CIP與ELITE衛星連接介面 13
2.4 座標系統 14
三、小型電離層探測儀(CIP)模擬分析 15
3.1 有限元素法(Finite Element Analysis, FEA) 15
3.2 CIP的環境測試標準 16
3.2.1 自然頻率 16
3.2.2 靜力負載 (Static Load) 17
3.2.3 隨機振動(Random Vibration) 18
3.3 模擬前處理 19
3.3.1 材質定義 19
3.3.2 邊界固定條件 20
3.3.3 網格設置 21
3.3.3.1 結構分析網格設置 21
3.3.3.2 熱分析網格設置 23
3.4 結構模擬分析 24
3.4.1 自然頻率 24
3.4.2 靜力分析(Static Load) 28
3.4.3 隨機振動 43
3.5 熱模擬分析 52
3.5.1 暫態(Transient) 53
3.5.1.1 暫態熱真空模式 54
3.5.1.2 暫態前衝模式 59
3.5.2 穩態(Steady) 64
3.5.2.1 穩態熱真空模式 64
3.5.2.2 穩態前衝模式 68
3.5.3 軌道熱分析 72
3.5.3.1 Worst Hot Case 72
3.5.3.2 Worst Cold Case 74
四、環境測試與結果分析 77
4.1 正弦掃頻測試 77
4.2 隨機振動測試 79
4.3 熱真空測試[17] 85
五、結論與未來展望 88
參考文獻 89

參考文獻

[1] 黃偉豪.“珍珠號立方衛星之結構分析.”國立中央大學, 2023.
[2] 林宗琪.“小型電離層探測儀類比前端處理單元.”國立中央大學, 2017.
[3] 楊瑞安.“小型電離層探測儀用於立方衛星之模組化設計.”國立中央大學, 2022.
[4] 高譽嘉. “PEARL立方衛星之結構設計.” 國立中央大學, 2022.
[5] 馮佳音. “小型電離層探測儀實驗室電漿注入測試.” 國立中央大學, 2021.
[6] 侯凱傑. “Deep Space Radiation Probe 結構與熱控的設計模擬與測試驗證.”
國立中央大學, 2023.
[7] comsol. “multiphysics cyclopedia.”2024.
[8] Siemens. “Simcenter 3D Pre/Post overview.” 2021.
[9] “Rideshare Payload User’s Guide,” SpaceX, October 2020.
[10] D. Systèmes. “Solidworks說明.” 2018.
[11] 實威國際, “SolidWorks Simulation 原廠教育訓練手冊,” 易習圖書, 2013.
[12] EurekAlert! Science News Releases. “NTU Singapore showcases final test model of Singapore’s latest satellite to President Tharman Shanmugaratnam.” June 2024.
[13] John Van Barne “Sound & Vibration.” Vibration research, Volume 46, Issue 2, February 2012.
[14] wikipedia“Plasticity (physics).”
[15] Arlon Electronic Materials. “85N High Temperature Polyimide.” https://www.arlonemd.com/arlon_product/85n-high-temperature-polyimide/
[16] Petko Mashkov,Tamara Pencheva, and Berkant Gyoch, “Reflow soldering processes development using infrared thermography,” University of Rousse, Bulgaria, 2009.
[17] “Thermal Vacuum Test Report for Singapore Nanyang Technical University ELITE CIP EQM.”Issue 00 Revision 01.

指導教授

趙吉光(Chi-Kuang Chao)

審核日期

2024-8-16

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