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• CubeSat
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• Design
• FEM

The present thesis work was developed in collaboration with Brain Technologies-Firenze. The study focuses on the design and structural analysis of a 6U CubeSat Deployer using the finite element method (FEM). The CubeSat Deployer is a crucial device for the safe and reliable deployment of CubeSats in space. The main objective of this research is to develop an optimized Deployer in terms of structural strength and mass.
The introduction of this thesis presents a general analysis of CubeSats, which are a class of miniaturized satellites used for a wide range of space applications. CubeSats are characterized by standardized dimensions and great design flexibility, making them accessible to various organizations, including universities, companies, and non-governmental organizations. Additionally, an analysis of the major CubeSat Deployers on the market is provided to gain an overview of existing solutions and the design requirements that need to be considered in the development of an optimized CubeSat Deployer.
During the study, an initial prototype of the 6U CubeSat Deployer was developed based on project requirements and CubeSat specifications. Specific guidelines were followed during the design process, aiming to ensure a practical and cost-effective approach. Special attention was given to the use of readily available materials and the choice of simple shapes that can be manufactured using common machining techniques. This approach aims to ensure the feasibility and production efficiency of the Deployer.
Subsequently, structural analyses were performed using the finite element method (FEM) to evaluate the performance of the prototype. The FEM analyses provided important information about the structural behavior of the Deployer, identifying areas for improvement to optimize the device's mass. Through design iterations and FEM analyses, modifications were made to the Deployer's design to reduce its overall mass without compromising its structural integrity. Component thicknesses were reduced in cases where the stresses were significantly lower than the design limits. These optimizations resulted in a final version of the CubeSat Deployer with a reduced mass of approximately 20% compared to the initial prototype while ensuring its structural reliability.
In conclusion, the developed prototype, based on the performed simulations, proved to be suitable for launch using the Vega-C launcher, ensuring the safety and reliability of CubeSat deployment in space. As a continuation of this work, two possible research directions have been identified. Firstly, the analysis of thermal loads to which the CubeSat Deployer system is subjected during its operation in orbit could be considered. This would allow evaluating the effect of heat on the structural performance of the Deployer and adopting any necessary measures to mitigate negative thermal effects. Secondly, a further area of study could involve an in-depth analysis of the dynamic ejection of CubeSats from the Deployer. The ejection of CubeSats represents the primary objective of the satellite mission, and it is, therefore, crucial to study the interaction between the release mechanism and the CubeSats themselves to ensure a safe and damage-free deployment.



Il presente lavoro di tesi è stato sviluppato in collaborazione con Brain Technologies-Firenze. Lo studio si concentra sulla progettazione e sull'analisi strutturale di un CubeSat Deployer 6U utilizzando il metodo degli elementi finiti (FEM). Il CubeSat Deployer è un dispositivo fondamentale per il rilascio sicuro e affidabile dei CubeSat nello spazio. L'obiettivo principale di questa ricerca è sviluppare un Deployer ottimizzato in termini di resistenza strutturale e massa.
Nell'introduzione di questa tesi, viene presentata un'analisi generale dei CubeSat, che rappresentano una classe di satelliti miniaturizzati utilizzati per una vasta gamma di applicazioni spaziali. I CubeSat sono caratterizzati da dimensioni standardizzate e da una grande flessibilità di progettazione, che li rendono accessibili a diverse organizzazioni, tra cui università, aziende e organizzazioni non governative. Inoltre, viene fornita un'analisi dei principali CubeSat Deployer presenti sul mercato, al fine di ottenere una panoramica delle soluzioni esistenti e dei requisiti di progettazione che devono essere presi in considerazione nello sviluppo di un CubeSat Deployer ottimizzato.
Durante lo studio, è stato sviluppato un prototipo iniziale del CubeSat Deployer 6U, basato sui requisiti di progetto e sulle specifiche del CubeSat. Durante il processo di progettazione, sono state seguite linee guida specifiche che mirano a garantire un approccio pratico e conveniente. È stato dato particolare rilievo all'utilizzo di materiali facilmente reperibili e alla scelta di forme semplici che possono essere realizzate mediante lavorazioni meccaniche comuni. Questo approccio mira a garantire la fattibilità e l'efficienza produttiva del Deployer.
Successivamente, sono state eseguite analisi strutturali utilizzando il metodo degli elementi finiti (FEM) al fine di valutare le prestazioni del prototipo. Le analisi FEM hanno fornito importanti informazioni sul comportamento strutturale del Deployer, identificando aree di miglioramento per ottimizzare la massa del dispositivo. Attraverso iterazioni di progettazione e analisi FEM, sono state apportate modifiche al design del Deployer al fine di ridurne la massa complessiva senza comprometterne l'integrità strutturale. Gli spessori dei componenti sono stati ridotti nei casi in cui le sollecitazioni risultavano significativamente inferiori ai limiti di progetto. Queste ottimizzazioni hanno portato a una versione finale del CubeSat Deployer con una massa ridotta del circa 20% rispetto al prototipo iniziale, garantendo al contempo la sua affidabilità strutturale.
In conclusione, il prototipo sviluppato, basato sulle simulazioni eseguite, si è dimostrato idoneo per il lancio utilizzando il vettore Vega-C, garantendo la sicurezza e l'affidabilità del rilascio dei CubeSat nello spazio. Come continuazione di questo lavoro, sono state individuate due possibili direzioni di ricerca. In primo luogo, potrebbe essere presa in considerazione l'analisi dei carichi termici ai quali il sistema del CubeSat Deployer è sottoposto durante il suo funzionamento in orbita. Questo consentirebbe di valutare l'effetto del calore sulle prestazioni strutturali del Deployer e di adottare eventuali misure per mitigare gli effetti termici negativi. In secondo luogo, un'ulteriore area di studio potrebbe riguardare l'approfondimento dell'analisi dinamica dell'espulsione dei CubeSat dal Deployer. L'espulsione dei CubeSat rappresenta l'obiettivo principale della missione del satellite, ed è quindi di fondamentale importanza studiare l'interazione tra il meccanismo di rilascio e i CubeSat stessi al fine di garantire un rilascio sicuro e privo di danni.