Development of a rugged imaging infrared fourier spectrometer (RIIFS) for planetary applications

Space exploration is the constant finding and exploration of celestial bodies in outer space using ever-evolving and expanding space technologies. Spectrometry implements innovative technologies to study the interaction between radiated energy and matter. The most distinguished instruments are the Fourier Transform Spectrometers, used for analysing the elemental composition of the atmosphere or surface of celestial bodies. Such instruments require adequate optical systems to gather electromagnetic radiation and form magnified images of distant objects. A three-mirror anastigmat (TMA) is a type of telescope comprised of three curved mirrors able to correct optical aberrations such as the spherical one, the coma, and astigmatism and thanks to the usage of the spectrometer, provide a wide spectral range. These optical instruments are highly sensitive to vibrations and shall be designed to withstand extreme conditions such as high acceleration amplitudes, wide temperature ranges, and dynamic excitation during launching. This work focuses on developing the optomechanical design of the telescope components within the RIIFS (Rugged Imaging Infrared Fourier Spectrometer) project. In particular, the design of the mirrors and supports of the TMA telescope were proposed. Both conventional and non-conventional manufacturing methods were exploited for the design of the components. Finite element analyses were used to assess the performance of the design. Generative design was used to obtain a variety of design solutions that provide good mechanical performance under static and dynamic loading. The proposed solutions were evaluated according to their weight, stiffness, and dynamic behavior in order to find the optimal design that best fulfills the design requirements. Two of the designed mirrors and supports were manufactured and tested in a laboratory environment. The experimental activities focused on the validation of the numerical models through a comparison of the unconstrained modes of vibration. Moreover, random vibration testing was performed to validate the mechanical resistance of the designed supports.

L'esplorazione dello spazio è la costante ricerca ed esplorazione di corpi celesti nello spazio profondo utilizzando tecnologie spaziali in continua evoluzione ed espansione. La spettrometria implementa tecnologie innovative per studiare l'interazione tra energia irradiata e materia. Gli strumenti più utilizzati per tali osservazioni sono gli spettrometri a trasformata di Fourier, utilizzati per analizzare la composizione elementare dell'atmosfera o della superficie dei corpi celesti. Tali strumenti richiedono adeguati sistemi ottici per raccogliere la radiazione elettromagnetica e formare immagini ingrandite di oggetti distanti. Tra i possibili sistemi ottici utilizzabili, il telescopio anastigmatico a tre specchi consente la correzione delle aberrazioni ottiche sferiche, la coma e l’astigmatismo e sfruttando uno spettrometro come strumento di misura, risulta essere in grado di coprire un ampio campo spettrale. Questi strumenti ottici sono molto sensibili alle vibrazioni, e devono essere progettati per resistere a condizioni estreme come ampiezze di accelerazione elevate, ampi intervalli di temperatura ed eccitazione dinamica durante il decollo. Pertanto, questo lavoro di tesi si concentra sullo sviluppo della progettazione optomeccanica dei componenti principali del telescopio all'interno del progetto RIIFS (Rugged Imaging Infrared Fourier Spectrometer). In particolare, è stata completata la progettazione degli specchi e dei supporti del telescopio e per la progettazione dei componenti sono stati utilizzati metodi di design sia convenzionali, sia non convenzionali. La progettazione è stata condotta utilizzando analisi ad elementi finiti degli specchi e dei supporti degli stessi. L'ottimizzazione della progettazione ha sfruttato la progettazione generativa con l’obiettivo di ottenere differenti soluzioni progettuali che fornissero buone prestazioni meccaniche nelle condizioni di carico statico e dinamico. Le soluzioni proposte sono state valutate in base al budget di massa richiesto , rigidezza e comportamento dinamico al fine di trovare il design migliore che soddisfasse al meglio i requisiti. Si sono realizzati dei modelli di uno degli specchi e dei supporti dello stesso per effettuare delle prove di laboratorio. Le attività sperimentali si sono concentrate sulla validazione dei modelli numerici sviluppati attraverso il confronto dei modi di vibrare numerici e sperimentali in condizione libera. Inoltre, si sono eseguiti dei test di vibrazione nel caso di forzamento più critico, a validazione della resistenza meccanica dei supporti ideati.