In many space missions image acquisition is fundamental task. Many satellites, exploratory rovers and telescopes are equipped with high performance imaging systems and cameras. Traditional cameras provide limited field of view so that in order to scan a large scenario, it is necessary to move them or use few devices. Any actuator or mechanism enhances the risk of failure of a space mission, it increases mass budget and instrument complexity. Therefore, reduction of the number of moving parts is mandatory to develop robust space instrumentation. A possible solution for the imaging systems consists in using panoramic optics, able to observe the full circle in azimuth and tens of degree below the horizon, enlarging the field of view without the need of moving components. Among the different available solutions, an off-the-shelf optical configuration based on hyper-hemispheric panoramic lens allows to reach wide angular extension, up to 130° with respect to the zenith. This optical system has been designed to operate in ground environment, so it is not compatible with Space where adequate resistance to mechanical stresses has to be assured during the launch, condition in which high levels of vibrations are experienced. Moreover, the optical system must be able to withstand a wide temperature range, ensuring survival and proper optical performances in that environment. Thus, objective of the thesis work is to verify the feasibility of a supporting structure for an optical system based on the aforementioned configuration, considering planetary observation on Mars surface as operative scenario. In such condition, design constraints require to assess the resistance of the system to quasi-static loads up to one hundred times the Earth’s gravitational acceleration and proper working between -120 and +120 °C, cold and hot extremes for the Martian seasons. Design of the mounting system has been performed exploiting analytical models in the earlier phase of the feasibility study. Then the design has been improved and detailed by using finite elements numerical models, in order to assess the observation of optical performances and resistance to mechanical and thermal loads. The design of the holder for the main optics has been detailed, being the latter the most critical element of the optical system. Furthermore, geometries of the other elements have been defined selecting proper combination of materials and compensating systems able to cope with the extreme temperature range. In order to validate the design, mock-ups of the holder for the main optics have been realized. Their main components were manufactured and after dimensional verification they were assembled. Preliminary characterization of the developed mock-ups has been carried out through vibration tests in unconstrained conditions, aiming to determine eigenmodes of the assembly and to the validation of the dynamic behaviour predicted by the numerical model. Experimental setups for thermal and mechanical testing in representative environments, activity foreseen for the validation of the design, have been identified and prepared.

In gran parte delle missioni spaziali un ruolo fondamentale è occupato dai dispositivi per l’acquisizione di immagini. I satelliti che mappano la superficie terrestre, i rover esplorativi, i telescopi che osservano lo spazio profondo, tutti sono dotati di sistemi per acquisizione di immagini molto sofisticati. I dispositivi ottici tradizionali hanno un campo visivo limitato ed è quindi necessario movimentare il dispositivo o il veicolo spaziale stesso per osservare nella direzione desiderata. Come è ben noto, ogni attuatore o sensore provoca un forte aumento del rischio di malfunzionamenti, è quindi bene ridurre il numero di parti mobili e di dispositivi. Una soluzione consiste nell'utilizzare ottiche panoramiche, in grado di osservare l’angolo giro in azimut e decine di gradi sotto l’orizzonte. Sfruttando questo sistema ottico si dispone di un ampio campo visivo senza movimentare alcun componente. Tra le differenti soluzioni presenti, esiste una particolare configurazione di lente panoramica iper-emisferica la quale fornisce campo visivo di 360° e un’estensione angolare rispetto allo zenit fino a 130°. Tale dispositivo è stato progettato per lavorare in ambiente terrestre, quindi non è compatibile con l’ambiente spaziale. Nello Spazio risulta necessario garantire adeguata resistenza alle sollecitazioni meccaniche attese durante le fasi di lancio e un corretto funzionamento del sistema ottico in intervalli di temperatura molto ampi, garantendo le prestazioni ottiche richieste con sufficiente margine di sicurezza. Scopo del lavoro di tesi è verificare la fattibilità di una struttura di supporto per un sistema ottico basato sulla configurazione precedentemente descritta, considerando come scenario di utilizzo la possibilità di osservazione della superficie di Marte. In tale condizione, i requisiti di progettazione richiedono di verificare la resistenza del sistema a carichi quasi statici aventi accelerazione pari a cento volte l’accelerazione di gravità terrestre e il funzionamento in un campo di temperature comprese tra -120 e +120 °C. La progettazione del sistema di montaggio è stata effettuata sfruttando relazioni analitiche nella fase iniziale della verifica di fattibilità, successivamente vari modelli sono stati implementati attraverso il metodo numerico basato su elementi finiti, al fine di verificare il rispetto delle prestazioni ottiche del sistema e la resistenza meccanica ai carichi di dimensionamento termici e quasi-statici. In modo particolare è stata dettagliata la progettazione dell’ottica principale, la quale rappresenta l’elemento più critico del sistema. Inoltre, si sono definite le geometrie degli altri componenti del sistema, dettagliando i materiali da utilizzarsi e i sistemi di compensazione da realizzare per garantire il funzionamento del sistema nel campo di temperature atteso. Al fine di validare la progettazione effettuata si sono realizzati mock-up del sistema di fissaggio dell’ottica principale dello strumento. Si sono prodotti i componenti principali del sistema di montaggio e si sono poi curate le fasi di assemblaggio del modello dimostrativo a valle delle verifiche dimensionali sui componenti. L’attività preliminare di caratterizzazione del modello realizzato è stata effettuata con test di vibrazione in condizioni libere per la determinazione dei modi propri del modello dimostrativo al fine di verificarne il comportamento dinamico e confrontarlo con quanto atteso dalle simulazioni numeriche effettuate. Inoltre, si sono progettati e realizzati i setup sperimentali per le caratterizzazioni termiche e meccaniche necessarie a validare il funzionamento del sistema.

Design of a holder for a hyper hemispheric optical system for planetary observation

CRIPPA, ANDREA
2018/2019

Abstract

In many space missions image acquisition is fundamental task. Many satellites, exploratory rovers and telescopes are equipped with high performance imaging systems and cameras. Traditional cameras provide limited field of view so that in order to scan a large scenario, it is necessary to move them or use few devices. Any actuator or mechanism enhances the risk of failure of a space mission, it increases mass budget and instrument complexity. Therefore, reduction of the number of moving parts is mandatory to develop robust space instrumentation. A possible solution for the imaging systems consists in using panoramic optics, able to observe the full circle in azimuth and tens of degree below the horizon, enlarging the field of view without the need of moving components. Among the different available solutions, an off-the-shelf optical configuration based on hyper-hemispheric panoramic lens allows to reach wide angular extension, up to 130° with respect to the zenith. This optical system has been designed to operate in ground environment, so it is not compatible with Space where adequate resistance to mechanical stresses has to be assured during the launch, condition in which high levels of vibrations are experienced. Moreover, the optical system must be able to withstand a wide temperature range, ensuring survival and proper optical performances in that environment. Thus, objective of the thesis work is to verify the feasibility of a supporting structure for an optical system based on the aforementioned configuration, considering planetary observation on Mars surface as operative scenario. In such condition, design constraints require to assess the resistance of the system to quasi-static loads up to one hundred times the Earth’s gravitational acceleration and proper working between -120 and +120 °C, cold and hot extremes for the Martian seasons. Design of the mounting system has been performed exploiting analytical models in the earlier phase of the feasibility study. Then the design has been improved and detailed by using finite elements numerical models, in order to assess the observation of optical performances and resistance to mechanical and thermal loads. The design of the holder for the main optics has been detailed, being the latter the most critical element of the optical system. Furthermore, geometries of the other elements have been defined selecting proper combination of materials and compensating systems able to cope with the extreme temperature range. In order to validate the design, mock-ups of the holder for the main optics have been realized. Their main components were manufactured and after dimensional verification they were assembled. Preliminary characterization of the developed mock-ups has been carried out through vibration tests in unconstrained conditions, aiming to determine eigenmodes of the assembly and to the validation of the dynamic behaviour predicted by the numerical model. Experimental setups for thermal and mechanical testing in representative environments, activity foreseen for the validation of the design, have been identified and prepared.
VALNEGRI, PIETRO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
29-apr-2020
2018/2019
In gran parte delle missioni spaziali un ruolo fondamentale è occupato dai dispositivi per l’acquisizione di immagini. I satelliti che mappano la superficie terrestre, i rover esplorativi, i telescopi che osservano lo spazio profondo, tutti sono dotati di sistemi per acquisizione di immagini molto sofisticati. I dispositivi ottici tradizionali hanno un campo visivo limitato ed è quindi necessario movimentare il dispositivo o il veicolo spaziale stesso per osservare nella direzione desiderata. Come è ben noto, ogni attuatore o sensore provoca un forte aumento del rischio di malfunzionamenti, è quindi bene ridurre il numero di parti mobili e di dispositivi. Una soluzione consiste nell'utilizzare ottiche panoramiche, in grado di osservare l’angolo giro in azimut e decine di gradi sotto l’orizzonte. Sfruttando questo sistema ottico si dispone di un ampio campo visivo senza movimentare alcun componente. Tra le differenti soluzioni presenti, esiste una particolare configurazione di lente panoramica iper-emisferica la quale fornisce campo visivo di 360° e un’estensione angolare rispetto allo zenit fino a 130°. Tale dispositivo è stato progettato per lavorare in ambiente terrestre, quindi non è compatibile con l’ambiente spaziale. Nello Spazio risulta necessario garantire adeguata resistenza alle sollecitazioni meccaniche attese durante le fasi di lancio e un corretto funzionamento del sistema ottico in intervalli di temperatura molto ampi, garantendo le prestazioni ottiche richieste con sufficiente margine di sicurezza. Scopo del lavoro di tesi è verificare la fattibilità di una struttura di supporto per un sistema ottico basato sulla configurazione precedentemente descritta, considerando come scenario di utilizzo la possibilità di osservazione della superficie di Marte. In tale condizione, i requisiti di progettazione richiedono di verificare la resistenza del sistema a carichi quasi statici aventi accelerazione pari a cento volte l’accelerazione di gravità terrestre e il funzionamento in un campo di temperature comprese tra -120 e +120 °C. La progettazione del sistema di montaggio è stata effettuata sfruttando relazioni analitiche nella fase iniziale della verifica di fattibilità, successivamente vari modelli sono stati implementati attraverso il metodo numerico basato su elementi finiti, al fine di verificare il rispetto delle prestazioni ottiche del sistema e la resistenza meccanica ai carichi di dimensionamento termici e quasi-statici. In modo particolare è stata dettagliata la progettazione dell’ottica principale, la quale rappresenta l’elemento più critico del sistema. Inoltre, si sono definite le geometrie degli altri componenti del sistema, dettagliando i materiali da utilizzarsi e i sistemi di compensazione da realizzare per garantire il funzionamento del sistema nel campo di temperature atteso. Al fine di validare la progettazione effettuata si sono realizzati mock-up del sistema di fissaggio dell’ottica principale dello strumento. Si sono prodotti i componenti principali del sistema di montaggio e si sono poi curate le fasi di assemblaggio del modello dimostrativo a valle delle verifiche dimensionali sui componenti. L’attività preliminare di caratterizzazione del modello realizzato è stata effettuata con test di vibrazione in condizioni libere per la determinazione dei modi propri del modello dimostrativo al fine di verificarne il comportamento dinamico e confrontarlo con quanto atteso dalle simulazioni numeriche effettuate. Inoltre, si sono progettati e realizzati i setup sperimentali per le caratterizzazioni termiche e meccaniche necessarie a validare il funzionamento del sistema.
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/152926