CubeSat for in-orbit technology verification : on-ground characterisation, qualification testing activity planning and results

CubeSats development granted access to space to small companies and universities by reducing design times and manufacturing costs. Since 2000, thousands of such nanosatellites have been launched, and the trend is on the increase. Papers and statistical studies raise awareness on failure rates of CubeSat missions, especially for University-led projects. Contrarily to what is sometimes believed, lack of specific competencies in satellite design and manufacturing within academic environment is not the primary cause of jeopardised missions: actually, verification and testing activities are faded into the background for schedule and cost reasons. Time dedicated to the integration phase is generally squeezed to meet delivery deadlines prescribed by the launch provider. This thesis work focuses in testing of FEES, a collaborative spacecraft project between PoliMi and several enterprises. Principal tasks were to draw the test plan and define the model philosophy. For CubeSats, mechanical environment compliance verification represents the most challenging effort, since qualification levels are identical to traditional multi-tonne satellites. Thermo-vacuum cycling is also demanding from a technical point of view, even to a lower extent. Functional testing of ADCS sensors and actuators is considered as indispensable for FEES: a dedicated facility simulating the Earth magnetic field (called Helmholtz cage) is also designed in this manuscript. Last but not least, radiation hardness is a major concern for space objects, especially for electronics.

Il recente sviluppo dei CubeSats, grazie ai loro ridotti tempi di progettazione e costi di fabbricazione, ha consentito alle piccole aziende ed agli Atenei di poter accedere alla corsa allo spazio. Migliaia di questi nano-satelliti sono stati lanciati dal 2000 in poi, e la tendenza è in costante aumento. Recenti studi statistici ed articoli pubblicati su riviste scientifiche pongono l'accento sull'elevato tasso di fallimento delle missioni CubeSat, in particolare su quelle dirette da Università. Contrariamente alla convinzione comune, la maggior causa d'insuccesso non è la mancanza di competenze specifiche riguardo allo sviluppo di satelliti nel mondo universitario. Si tratta in realtà della tendenza a relegare in secondo piano, per motivi di costi e tempistiche, le attività di test e verifica. Il tempo dedicato alla fase di assemblaggio è, di solito, il primo ad essere ridotto per rispettare le scadenze fissate dal fornitore del servizio di lancio. Il lavoro presentato in questa tesi di laurea riguarda le prove su FEES, un nano-satellite sviluppato da più aziende in collaborazione col PoliMi. La prima tappa consisteva nel preparare il programma dei test e stabilire la filosofia dei modelli. La sperimentazione per verificare la conformità alle sollecitazioni meccaniche, specificate dal fornitore del lancio, rappresenta il compito più arduo: i livelli di qualifica, infatti, sono identici a quelli usati dai costruttori di satelliti tradizionali. La prova in termo-vuoto, invece, richiede un minor carico di lavoro dal punto di vista tecnico. Per FEES, il test funzionale dei sensori di attitudine e degli attuatori è una fase primordiale: nell'ambito della tesi, un'attrezzatura specifica fu progettata con lo scopo di simulare il campo magnetico terrestre (gabbia di Helmholtz). Ultimo elemento da prendere in considerazione è la resistenza alle radiazioni che rimane un grave problema per la sopravvivenza degli oggetti nello spazio, in particolare per i componenti elettronici.