Contributions to the advance of the integration density of CubeSats

Book excerpt: This thesis investigates potential technologies to increase the integration density of CubeSats. Observations of the CubeSat market and missions are recorded in order to derive design criteria for high performance single unit CubeSats. A promising approach to increased integration density is relocation of the components of multiple satellite subsystems to form a highly integrated, multi-functional solar panel. Eligible components are usually allocated to the communication system, the electric power system, or the attitude determination and control system. In a joint research project, development, optimization, and miniaturization of those components in order to form a highly integrated, multi-functional solar panel is investigated. The author first summarizes the development work of the project partners for a picosatellite solar antenna and puts it into relation to the overall solar panel design. Advantage of using solar antennas over simple patch antennas is the reduced loss of solar cell area, and hence available electric power, that is usually accompanied by the usage of higher frequency bands for broadband payload data transmission. Magnetic attitude actuators are the backbone of CubeSat attitude control. In order to increase their performance and lower their resource consumption, numerical optimization of the commonly used three coil types is investigated by the author. This leads to the formulation of a novel optimization approach, which is better suited to real-world considerations for magnetic actuator design. Results from the application of the optimization procedure show potential for every coil type. The state of the art of a novel type of attitude control actuators, so-called fluid-dynamic actuators which are based on angular momentum exchange, is advanced by the author by introducing miniaturized 3D-printed conduits for single unit CubeSat applications. Following development and functional verification, actuators are compared to existing reaction wheel systems, which shows their superiority for agile attitude maneuvers and integration with the satellite bus. Further investigation exploits additive manufacturing technologies to create redundancy concepts using four actuators with three-dimensional conduits.Finally, development, optimization, and miniaturization of subsystem components is brought together in the design, assembly, and test of a highly integrated, multi-functional solar panel. Analysis of a single unit CubeSat design that applies different configurations of the multi-functional solar panel shows the potential for more than 50% payload mass and payload volume. This brings integration density of single unit CubeSats to a level similar to that of the larger triple unit form factors currently employed for the New Space mega-constellations. Diese Dissertation untersucht mögliche Technologien zur Erhöhung der Integrationsdichte von CubeSats. Beobachtungen des CubeSat-Marktes und ausgewählter Missionen werden zusammengetragen um Entwurfskriterien für hochperformante 1U CubeSats abzuleiten. Ein vielversprechender Ansatz zur Erhöhung der Integrationsdichte ist der Umzug von Komponenten verschiedener Satellitensubsysteme auf ein zu entwickelndes hochintegriertes, multifunktionales Solarpaneel. Infrage kommende Komponenten sind für gewöhnlich dem Kommunikationssystem, dem Energieversorgungssystem, oder dem Lageregelungssystem zugeordnet. In Rahmen eines gemeinschaftlichen Forschungsvorhabens wurden Entwicklung, Optimierung, und Miniaturisierung ausgewählter Komponenten eines solchen hochintegrierten, multifunktionalen Paneels untersucht. Durch den Autor wird zunächst die Entwicklung einer Solarantenne für Pikosatelliten durch den Projektpartner zusammengefasst und in Zusammenhang um Entwurf des Solarpaneels gebracht. Der Vorteil einer Solarantenne gegenüber einer einfachen Patch-Antenne ist der geringere Verlust an Solarzellenfläche, und damit zur Verfügung stehender elektrischer Leistung, der üblicherweise mit der Verwendung höherer Frequenzbänder zur breitbandigen Nutzlastdatenübertragung einhergeht. Magnetische Lageregelungsaktuatoren bilden das Rückgrat der CubeSat-Lageregelung. Um deren Leistungsfähigkeit zu erhöhen und den Ressourcenverbrauch zu verringern, wird durch den Autor die numerische Optimierung der drei gebräuchlichen Spulentypen untersucht. Dies führt zur Formulierung eines neuartigen Optimierungsansatzes welcher besser für die Anwendung realer Entwurfsprobleme geeignet ist. Die Optimierungsergebnisse zeigen ein großes Potential für die Optimierung aller betrachteter Spulentypen auf. Der Stand der Technik im Bereich neuartiger Lageregelungsaktuatoren, den sogenannten fluiddynamischen Aktuatoren die auf Drehimpulsaustausch basieren, wird durch den Autor durch die Einführung miniaturisierter 3D-gedruckter Kanäle für die Verwendung auf 1U CubeSats vorangebracht. Im Anschluss an die Entwicklung und funktionale Verifikation werden diese Aktuatoren mit existierenden Reaktionsradsystemen verglichen, was deren Überlegenheit bei agilen Lageregelungsmanövern und der Integration in den Satellitenbus aufzeigt. Weitere Untersuchungen nutzen die additiven Herstellungsverfahren zur Darstellung von redundanten Konzepten bestehend aus vier Aktuatoren mit dreidimensionalen Kanalgeometrien. Abschließend werden Entwicklung, Optimierung und Miniaturisierung der Subsystemkomponenten im Entwurf, Aufbau und Test eines hochintegrierten, multifunktionalen Seitenwandpaneels zusammengeführt. Die Analyse eines 1U CubeSat-Entwurfs unter Verwendung verschiedener Konfigurationen des multifunktionalen Solarpaneels zeigt ein Potential für jeweils mehr als 50% verfügbarer Nutzlastmasse und Nutzlastvolumen vom gesamten Satelliten. Dies hebt die Integrationsdichte von 1U CubeSats auf ein ähnliches Niveau der 3U Formfaktoren, welche gegenwärtig bei den New Space Megakonstellationen zur Anwendung kommen.