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系統識別號 U0002-0108200615104100
中文論文名稱 微衛星低成本重力梯度桿開發與設計
英文論文名稱 The Development and Design of a Low-Cost Gravity-Gradient Boom for Microsat
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 紀秉賢
研究生英文姓名 Bing-Xian Ji
學號 693340878
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-06-20
論文頁數 88頁
口試委員 指導教授-洪祖昌
委員-蕭秋德
委員-翁瑞麟
委員-蔡志然
委員-洪祖昌
委員-李宗翰
中文關鍵字 TUUSAT-1  重力梯度桿  機構設計  功能測試  振頻模擬 
英文關鍵字 TUUSAT-1  Gravity-Gradient Boom  Structural design  Functional tests  Natural frequency simulation 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文針對TUUSAT-1下一代微衛星(體積小於0.4*.04*0.4 m³、重量小於40kg)開發重力梯度桿機構,衛星酬載主要任務目標為拍攝氣象雲圖,設計必須符合低成本以及設計需求且適合在大學裡發展的微衛星使用,指向精度以能夠提供任務所需5度做設計。
機構設計首先定義衛星任務目標、需求以及系統需求與限制,接著參考國外現有機構的設計方法作為依據,估算出所需之重力梯度力矩、桿長和慣性矩,桿件結構以不銹鋼帶捲尺為主要材質,機構將完全自行開發與設計,且符合安裝簡單、可提供試驗數據和容易伸展的特性,最後進行伸展功能測試以及利用有限元素軟體(ANSYS)進行自然振頻模擬驗證設計成果,開發過程中每一階段皆需和系統需求、限制比較,直到設計結果滿足設計需求為止。
英文摘要 This paper is focus on the next generation of Microsat Satellite, TUUSAT-1, which volume is smaller than 0.4* 0.4* 0.4* m³, and weight is lighter than 40 kg, developing Gravity-Gradient Boom. The main mission of satellite payload targets on photoing meteorogram; its design must be low budget and fit for Microsat Satellite using in the university and provide accurate fixing mission within five degrees.
The Structural design is first to define the goal, demand, and system requirements and limitations of satellite mission, and then take how the existing foreign institution design as references to calculate the requirements of gravity-gradient torque, arm length and inertia torque. The arm structure is using stainless steel tapeline as main material. We will completely develop and design for the structure, and install the distinction of briefness, testable numbers, and easy extensibility. Eventually, we will proceed to make functional tests and utilize ANSYS to verify the result of natural frequency simulation; during the course of developments, each period needs system requirement an limitation comparisons, until the result of design is good enough to be satisfied.
論文目次 目錄
目錄 I
圖目錄 IV
表目錄 VII
第一章 緒 論 1
1-1 微衛星的發展 1
1-2 TUUSAT-1系統架構 2
1-3 研究動機與目的 5
1-4 論文架構 7
第二章 任務分析與設計方法 8
2-1 衛星任務目標與需求 8
2-2 系統需求與限制 9
2-3 設計方法與流程 10
第三章 理論概念與現有機構 12
3-1 環境擾動 12
3-1-1 重力梯度力矩 13
3-1-2 太陽輻射壓力矩 15
3-1-3 磁場作用力矩 16
3-1-4 空氣動力力矩 17
3-2 重力梯度穩定 18
3-3 系統組成和特點 22
3-4 現有機構介紹 23
3-4-1 SSTL-Weitzmann Boom 23
3-4-2 STR Boom 25
3-4-3 SUNSAT Boom 26
3-4-4 Citizen Explorer-1(CX-1) Boom 26
3-4-5 Deployable structures laboratory 28
第四章 概念設計 30
4-1 機構設計方案 30
4-1-1 摺疊式重力梯度桿 30
4-1-2 馬達式重力梯度桿 31
4-2 確認機構設計架構 33
4-3 機構材料選用 33
4-4 機構裝置規劃 34
4-4-1 收納裝置規劃 35
4-4-2 固定裝置規劃 35
4-4-3 展開裝置規劃 36
4-5 估算桿長與慣性矩 37
4-6 概念設計討論 43
第五章 機構細部設計與實體化 45
5-1 收納裝置細部設計 45
5-2 固定裝置細部設計 47
5-3 展開裝置細部設計 49
5-4 機構組裝與運作規劃 51
5-4-1 機構組裝 51
5-4-2 機構運作規劃 55
5-5 細部設計討論 58
第六章 自然振頻分析與伸展功能測試 60
6-1 有限元素法 60
6-2 分析理論 62
6-2-1 破壞準則 62
6-2-2 自然頻率準則 62
6-3 分析流程 64
6-4 機構自然振頻分析模擬 66
6-5 機構伸展功能測試 70
6-5-1 測試目標 71
6-5-2 測試方法 71
6-5-3 測試結果 72
6-6 模擬分析與伸展功能測試討論 74
第七章 結論與未來展望 75
附錄一 機構零件工程圖 77
參考文獻 86

圖目錄
圖1-1 TUUSAT-1衛星架構圖 3
圖2-1 重力梯度桿設計流程圖 11
圖3-1 重力梯度力矩示意 13
圖3-2 重力梯度穩定系統示意圖 21
圖3-3 SSTL-Weitzmann Boom機構圖 24
圖3-4 STR Boom桿件機構圖 25
圖3-5 STR Boom分析模擬圖 25
圖3-6 SUNSAT重力梯度桿 26
圖3-7 CESAT重力梯度穩定系統 27
圖3-8 CX-1捲尺式重力梯度桿 28
圖3-9 Ulysses Spacecraft重力梯度桿 29
圖3-10有限元素軟體分析 29
圖4-1 摺疊式重力梯度桿 31
圖4-2 馬達式規劃示意圖 32
圖4-3 捲繞收納示意圖 35
圖4-4 桿件固定裝置示意圖 36
圖4-5 機構與衛星固定裝置示意圖 36
圖4-6 展開裝置作動示意圖 37
圖4-7 太陽輻射壓力矩 38
圖4-8 磁場擾動力矩 39
圖4-9 空氣動力力矩 40
圖4-10 環境力矩比較圖 41
圖4-11 估算模型示意圖(未展開~展開) 42
圖4-12初步機構規劃圖 44
圖4-13 設計製作實體進行試驗 44
圖5-1 機構外觀模型圖 46
圖5-2 桿件收納裝置模型圖 47
圖5-3 收納裝置機構實體圖 47
圖5-4 機構與連接介面模型圖 48
圖5-5 固定裝置元件與機構主體 49
圖5-6 展開裝置作動模型圖 50
圖5-7 展開裝置實體外觀圖 51
圖5-8 結構組裝示意圖 53
圖5-9 機構安裝示意圖 55
圖5-10 機構安裝於衛星本體圖 56
圖5-11 Boom-out時機 58
圖6-1 ANSYS分析流程圖 66
圖6-2 ANSYS軟體建立模型 68
圖6-3 模型節點網格化 68
圖6-4 宣告邊界自由度 69
圖6-5 第一振頻模態變形圖 69
圖6-6 無重力環境伸展試驗 71
圖6-7 測試示意圖 72
圖6-8 平面伸展過程 73
圖6-9 機構垂直伸展 74
圖7-1 Yamsat微衛星振動測試 76
附圖(1) 機構總組裝工程圖 77
附圖(2) 機構X軸鋁板工程圖 78
附圖(3) 機構Y軸鋁板工程圖 78
附圖(4) 機構Z軸鋁板工程圖 79
附圖(5) 機構-Z軸鋁板工程圖 79
附圖(6) 馬達掛載齒輪工程圖 80
附圖(7) 馬達固定鋁板工程圖 80
附圖(8) 機構傳動軸工程圖 81
附圖(9) X方向滾軋軸工程圖 81
附圖(10) -X方向滾軋軸工程圖 82
附圖(11) 軸承工程圖 82
附圖(12) 控制開關工程圖 83
附圖(13) 滾軋軸齒輪工程圖 83
附圖(14) 傳動軸齒輪工程圖 84
附圖(15) 蓄電池尺寸工程圖 84
附圖(16) 連接介面工程圖 85
附圖(17) 連接介面圓環工程圖 85

表目錄
表1-1 衛星分類方法 1
表1-2 TUUSAT-1衛星規格表 3
表2-1衛星任務目標 8
表3-1 環境擾動因素 12
表3-2 系統特性表 23
表3-3 SSTL-Weitzmann Boom規格表 24
表4-1 機構材料規格表 34
表4-2 衛星殘留磁偶極比較表 39
表4-3 環境擾動力矩比較表 40
表4-4 Tip-Mass與桿長 42
表4-5 概念設計問題與解決方法 43
表5-1 收納裝置元件規格表 46
表5-2 固定裝置元件規格表 48
表5-3 展開裝置元件規格表 50
表5-4 機構元件規格整理表 54
表5-5 細部設計開發問題與解決方法 59
表6-1 主要機構材質規格表 67
表6-2 模擬分析數據表 70
表6-3 平面伸展完畢所需時間 73
表6-4 垂直伸展距離 73
表6-4 機構系統規格表 74

參考文獻 [1] Zhen, C. E., Hong, Z. C., Lin, C. H., and Lee, C. C., “The Design and Fabrication of TUU SAT-1 Ground Station by Students,”50th International Astronautical Congress October 4-8, 1999/ Amsterdam, The Netherlands, IAF-99-M.5.09.
[2] Lin, C. H., Hong, Z. C., Shih, C. H., and Chuang, C. K., “The Passive Magnetic Stabilization used Magnetic Rods for a Microsatellite TUUSAT-1 ,” presented at 50th International Astronautical Congress , Amsterdam, The Netherlands, 4-8 OCT 1999./IAF-ST-99-W.1.06.
[3] Hong, Z. C., Lin, C. H., Lin, H. J.,“The Imagery Payload Design for Passive Magnetically Stabilized Micro-satellite,”AIAA Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 40, No.3, pp.396-404, May-June 2003.
[4] Lin, C. H. ,Hong, Z. C., “The Mission and Constellation Design for Low-Cost Weather Observation Satellites,” AIAA Journal of Spacecraft and Rocket,Vol. 42, No. 1, pp. 118-123, Jan.-Feb., 2005.
[5] Wertz, J. R., Larson, W. J., “Space Mission Analysis and Design,” Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, 1991.
[6] “Hitchhiker Customer Accommodations & Requirements Specifications”, 1994, NASA Goddard Space Flight Center
[7] Norwegian University of Science and Technology Department of Engineering Cybernetics “Attitude control for the Norwegian student satellite nCube”2004
[8] Chen, Y. H., Hong, Z. C., Lin, C. H. and Chern, J. S., “Aerodynamics and Gravity Gradient Stabilization for Microsatellites”, Acta Astronautica, Vol. 46, No. 7, pp. 491-499, 2000. (published as Academy Transactions Note)
[9] F. P. J. (Friedrich Paul Johannes),” Introductory attitude dynamics”,1989
[10] C. D. Brown, ”Elements of Spacecraft Design” ,AIAA Education Series,2002
[11] SURREY SATELLITE TECHNOLOGY”SSTL-Weitzmann 6m Deployable Boom”,2005[12] Michael Lou, Houfei Fang, Lih-Min Hsia, ”Development of Inflatable/Rigidizable STR Aluminum Booms,” AIAA, 2000.
[13] Michael Lou, Houfei Fang, Lih-Min Hsia, “A Combined Analytical and Experimental Study on Inflatable Booms,” IEEE, 2000.
[14] Sias Mostert, Jan-Albert koekemoer ”The Science and Engineering Payload and Experiment on Sunsat, ” ACTC ASTRONAUTIC, vol.41, pp 401-411, 1997.
[15] D. Zachary Allen, Catherine E. Dunn,“Citizn Explorer-Ⅰ:an Earth with new small satellite technology,”ACTC ASTRONAUTIC, pp127-131, 2004.
[16] Deployable structures laboratory, “Collapsible Tube Mast & STEM-type deployable booms analysis, ” June 2001.
[17] National Space Organization, ”YamSat AD&C System Design Report ”, 2001
[18] 游仕名,” TUU SAT-1微衛星結構設計分析”,碩士論文,中央大學機械系,2000
[19] National Space Organization,”蕃薯號衛星計畫介紹”, 2002
[20] 周祖亮,”工程力學-靜力篇”,全華圖書,1987
[21] 林清安,” Pro/ENGINEER Wildfire零件設計”,和城書局,2003
[22] 王霖崑,”衛星天線展開機構之設計” ,碩士論文,成功大學機械系,2002
[23] http://www.omega-hc.com/plating/book16.htm
[24] Chobotov, V. A.,“Spacecraft Attitude Dynamics and Control,”Krieger Publishing Company, Florida, 1991.
[25] M. Grassi, “Attitude Determination and Control for a Small Remote Sensing Satellite,”Acta Astronautica, Vol 40, 1997.
[26] Y.-W. Wong,“Analysis of Wrinkled Membranes using Finite Element Modelling,”June 2001.
[27] H.R. Drew and S. Pellegrino, “New Approaches to Structural Mechanics, Shells and Biological Structures,”2002.
[28] 龔皇光,黃柏文,陳鴻雄”ANSYS電腦輔助工程分析”,全華書局,2003
[29] 陳精一,” ANSYS 7.0電腦輔助工程實務分析”,全華書局,2004
[30] http://www.cesat.br/cursos/
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