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。

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.

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

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