Thermo-mechanical design of a panoramic camera for moon caves observation

In any space mission, observation of the surrounding scenario is one of the most important activities. Through high-performance imaging systems, space instruments allow humans to acquire new information about the observed environment and improve scientific studies. Traditional cameras by which space instruments are equipped, show a limited field of view, requiring the presence of actuators coupled with moving elements to acquire the entire scenario. Moving elements increase the risk of failure especially in space environment, characterized by very harsh conditions, and where any maintenance is critical or impossible. Hyper-hemispheric panoramic cameras provide a compact solution to this issue because thanks to their large field of view, can acquire the surrounding scenario with single image acquisition. This work describes the optomechanical design of an innovative Hyper-hemispheric camera to be employed for Moon caves exploration, a mission facing a wide temperature range, and high acceleration amplitudes at the mission launch. In particular, the feasibility design of two optical groups of the panoramic camera has been performed, detailing the geometry of the optical holders and of the structural elements required to connect them with the existing subassemblies of the instrument. Finite Element Models of the supports have been created and modal, quasi-static, and dynamic analyses have been performed to verify the mechanical resistance of the proposed mounting and the obtained mechanical performances. Moreover, within the framework of this research, validation of the thermo-mechanical design of the catadiopter, one of the main optics of the Hyper-hemispheric camera, has been performed in the expected temperature range. Some mockups representative of the interesting area of the catadiopter have been manufactured and tested with thermal cycling to assess the baseline holding strategy, which requires in that region gluing of different materials with different CTEs. The activity allowed the validation of the selected composite adapters (Torlon 7130) to be used as intermediate material between the optics and its holder.

Nella maggior parte delle missioni spaziali, l’osservazione dell’ambiente circostante agli strumenti di esplorazione è fondamentale. Attraverso l’utilizzo di sistemi di acquisizione immagini ad alte prestazioni, gli strumenti di esplorazione spaziali permettono all’uomo di acquisire informazioni fondamentali per il progresso scientifico. Le telecamere con le quale sono stati equipaggiati fino ad ora gli apparecchi di esplorazione, mostrano un limite tecnologico dato dal campo visivo ridotto, che viene aggirato attraverso l’utilizzo di attuatori che permettono la movimentazione della telecamera, consentendo così l’acquisizione dell’intero scenario che circonda lo strumento. Il problema principale di componenti movimentati è il loro rischio di guasto che nell’ambiente spaziale aumenta a causa delle condizioni operative estremamente ostili e dalla scarsa o assente possibilità di manutenzione. Le telecamere a visione iper-emisferica sono una soluzione compatta al precedente problema, poiché grazie al loro ampio campo di vista permettono di acquisire l’intero scenario attraverso l’acquisizione di una singola immagine senza l’utilizzo di parti mobili e attuatori per la movimentazione. Questo lavoro di tesi descrive la progettazione optomeccanica di una telecamera a visione iper-emisferica con lo scopo di essere utilizzata per l’esplorazione di cavità lunari, missione per la quale lo strumento dovrà resistere all’ampio campo di temperatura e alle elevate accelerazioni subite durante la fase di lancio. In particolare, è stato svolto lo studio di fattibilità delle strutture di supporto per due gruppi ottici, dettagliando la geometria della struttura con elementi che ne permettano la connessione ai sottogruppi ottici già progettati durante precedenti studi. In seguito, sono stati sviluppati modelli a elementi finiti delle suddette strutture di supporto, attraverso i quali è stato possibile eseguire analisi modali, quasi-statiche e dinamiche della struttura in modo da verificarne la resistenza e le caratteristiche meccaniche. Inoltre, all’interno dell’ambito di questa ricerca, è stata eseguita la validazione del progetto termo-meccanico del catadiottro, uno dei più importanti componenti ottici della telecamera iper-emisferica, all’interno del campo di temperatura definito. Sono stati realizzati alcuni modelli rappresentativi dell’area di interesse del catadiottro e testati attraverso cicli termici, per valutare la fattibilità del sistema di tenuta e mantenimento con la base, sistema che necessita la presenza di un incollaggio tra materiali con differenti coefficienti di dilatazione termica. L’attività ha permesso la validazione degli adattatori in materiale composito (Torlon 7130) precedentemente selezionati come elemento intermedio tra il componente ottico e la sua struttura di supporto.