Preliminary Structural Design of the Optical Payload for LUMIO Space Mission

LUMIO is a 12-U CubeSat designed to orbit around the 2nd Lagrangian point of the Earth-Moon system (L2). Its main objective is to observe the meteoroid impacts on the surface of the lunar far-side. The payload of the mission, namely the LUMIO-Cam, is a compact imager designed by Leonardo S.p.a. for this purpose. It is able to observe in the visible and near-infrared ranges at the same time, capturing a very good percentage of possible impacts, from the most luminous ones to the faintest. To guarantee that the mission objectives are satisfied, the camera needs to pass some structural analyses and tests, so that the risk of excessive deformations or even failures of the components can be prevented. Throughout this thesis work, a preliminary Phase B structural analysis is carried out on the LUMIO-Cam, starting from the input model that was designed in Phase A and progressively updated through Phase B. Firstly, the Finite Element model of the whole camera is built, the properties of the elements and of the materials are added to the model and the checks to validate the model itself are run. Then, the modal analysis is performed to assess the fundamental modes and frequencies of the structure. Subsequently, the quasi-static, random, sine and thermo-elastic analyses are performed to verify the mechanical components, glued and screwed connections performances. Some updates in the design of the camera are finally proposed and analysed to check the compliance of the new model under the presented load cases. The final design model is shown to be satisfactory for the current levels of the structural loads applied.

LUMIO è un CubeSat da 12 unità progettato per orbitare intorno al 2° punto lagrangiano (L2) del sistema Terra-Luna. Il suo obiettivo principale è quello di osservare gli impatti di meteoroidi sulla superficie del lato nascosto della Luna. Lo strumento principale della missione, la LUMIO-Cam, è uno strumento ottico compatto progettato da Leonardo S.p.a. per questo scopo. È in grado di osservare contemporaneamente nella gamma del visibile e del vicino infrarosso, catturando un'ottima percentuale di possibili impatti, da quelli più luminosi a quelli più fiochi. Per garantire il raggiungimento degli obiettivi della missione, lo strumento deve superare alcune analisi e verifiche strutturali, in modo da prevenire il rischio di deformazioni eccessive o addirittura di guasti dei componenti. Nel corso di questo lavoro di tesi, viene effettuata un'analisi strutturale preliminare di Fase B sulla LUMIO-Cam, a partire dal modello di input progettato nella Fase A e progressivamente aggiornato durante la Fase B. In primo luogo, viene costruito il modello agli elementi finiti dell'intera telecamera, vengono aggiunte al modello le proprietà degli elementi e dei materiali e vengono eseguiti i controlli per la validazione del modello stesso. In seguito, viene eseguita l'analisi modale per valutare i modi e le frequenze fondamentali della struttura. Successivamente, vengono eseguite le analisi quasi-statiche, random, sinusoidali e termo-elastiche per verificare le prestazioni dei componenti meccanici e delle connessioni incollate e avvitate. Vengono infine proposti e analizzati alcuni aggiornamenti nella progettazione dello strumento, per verificare la conformità del nuovo modello ai casi di carico presentati. Il modello finale si dimostra soddisfacente per gli attuali livelli di carico strutturale applicati.