Development of the optical bench for the MAJIS imaging spectrometer

MAJIS (Moons And Jupiter Imaging Spectrometer) is an imaging spectrometer designed for the space mission JUICE whose objective is the study of the system of Jupiter and its moons Europa, Ganymede and Callisto. The mechanical design of the optical bench of the instrument is particularly critical because if one considers the optical layout of the spectrometer, the passive cooling system of the infrared detector and the shielding of the optics themselves, the overall mass to be supported is equal to approximately 18 kg. Thus, it was created a finite element model of the optical bench of the instrument with the aim of testing the feasibility realization of the same. In this regard different finite element analyses were made which allowed to complete the feasibility study. In the next step of the project, the feasibility model has been developed to a stage of detailed design. In particular, the optical bench has been redesigned with a modular assembly of internal and external ribbed structures. Even at this stage of the project, the finite element analysis of the optical bench made it possible to verify compliance with the design requirements and to optimize the final layout. The optimization was carried out trying to minimize the mass and the overall dimensions of the same. Downstream of the detailed design phase, different dynamic tests were conducted on the mock-up of the MAJIS to measure its dynamic behaviour and validate the FEA results. To perform the dynamic testing on the shaker, it was also necessary to design and manufacture a support plate of the instrument mock-up. The structure has been designed with high stiffness to avoid affecting the mock-up dynamic behaviour.

MAJIS (Moons And Jupiter Imaging Spectrometer) è uno spettrometro ad immagini progettato per la missione spaziale JUICE il cui obbiettivo è lo studio del sistema di Giove e dei suoi satelliti: Europa, Ganymede e Callisto. La progettazione meccanica del banco ottico dello strumento è particolarmente critica visto che se si considera il layout ottico dello spettrometro, il sistema di raffreddamento passivo del detector infrarosso e la schermatura delle ottiche stesse, la massa complessiva da sostenere risulta pari a circa 18 kg. Pertanto, è stato realizzato un modello a elementi finiti del banco ottico dello strumento con l’obiettivo di verificare la fattibilità realizzativa dello stesso. A tale proposito sono state eseguite differenti analisi ad elementi finiti che hanno consentito di completare lo studio di fattibilità ed ottimizzarne il layout finale. Nella fase successiva del progetto, il modello di fattibilità è stato sviluppato verso uno stadio di progettazione di dettaglio. In particolare, il banco ottico è stato ridisegnato considerando un montaggio modulare delle strutture nervate interne ed esterne. Anche in questa fase del progetto le analisi ad elementi finiti del banco ottico hanno permesso di verificare il rispetto dei requisiti di progetto e di ottimizzarne il layout finale. L’ottimizzazione è stata effettuata cercando di ridurre al minimo la massa e gli ingombri dello stesso. A valle della fase di progettazione, sono state condotte diverse prove dinamiche su di un modello rappresentativo dello strumento con l’obiettivo di valutare la risposta dinamica del mock-up e validare i modelli ad elementi finiti realizzati. A tale proposito, l’esecuzione di test dinamici sul tavolo vibrante a disposizione ha richiesto la progettazione e realizzazione di una piastra di supporto del banco ottico. La struttura è stata progettata con proprietà di rigidezza tali da non influenzare le prove dinamiche sul modello testato.