2-D solar tracking mechanism for a space application

Aim of this thesis is to design a solar tracking mechanism to be used in Martian environment. The mechanism has to reflect the solar light into the optical inlet of an instrument observing the zenith. The strict mechanical requirements (the mechanism must resist to accelerations of 1000 m/s² and the overall mass must be lower than 50 g) and the low temperatures of Mars required an optimization-based design. Solutions based on different optical layouts were initially analyzed. Results evidenced that the best arrangement included two mirrors, both rotating around the instrument optical axis, with the first fixed with an angle of 30° and the second tilting with an angle of ± 15°. Piezoelectric actuators were used both to rotate the two mirrors around the optical axis and to tilt the second mirror. The motors constraints were designed in order to be compliant along preferred directions. The response of the model to the mechanical stimuli has been verified with the finite element methods. A prototype of the mechanism has been manufactured and preliminarily tested.

Scopo del presente lavorodi tesi è la progettazione di un meccanismo di inseguimento solare per utilizzo in ambiente marziano. Il meccanismo deve riflettere la luce del sole nell’ingresso ottico di uno strumento che osserva lo zenit. I vincoli progettuali sono particolarmente stringenti (massa inferiore a 50 g, accelerazioni di a 1000 m/s² e sopravvivenza a temperature inferiori a 150 K. Sono state inizialmente valutate differenti configurazioni geometriche basate su uno o più specchi. I risultati hanno mostrato come la configurazione più conveniente fosse quella basata su uno specchio fisso rotante attorno all’asse ottico dello strumento, inclinato di 30° rispetto allo stesso, e uno specchio (anch’esso rotante attorno all’asse ottico dello strumento) capace di un movimento di tilt di ± 15°. Attuatori piezoelettrici sono stati utilizzati sia per la rotazione di entrambi gli specchi attorno all’asse ottico sia per il tilt dello specchio mobile. I motori e gli specchi sono stati vincolati con sistemi a cedevolezza controllata al fine di ridurre gli stress termoelastici. La risposta dell’assieme meccanico ai carichi di progetto è stata valutata con il metodo degli elementi finiti. È stato realizzato un mockup del meccanismo e su di esso sono stati eseguiti test preliminari.