Small form factor PCB-based air coil for CubeSats

Abstract

pace missions using Earth's magnetic field to achieve effective attitude determination and control (orientation) is becoming more and more popular at relatively low altitudes, Low Earth Orbit (LEO). CubeSats (U-class spacecraft) are deployed in LEO and rely on miniaturizing technology without significant performance degradation. They use magnetic torque generator (magnetorquers) within the Attitude Determination and Control Systems utilizing the Earth's magnetic field, which is still strong enough to create a functional level of torque with a well-known distribution map around the sphere model. This thesis presents a small form factor air coil and magnetorquer design in the form of a PCB, considering the miniature CubeSat dimensions. Although several studies have shown the torque's effectiveness through simulation-based evaluations, it has not been evaluated in a real environment. In this thesis, we propose a test bench for the torque measurement that can be implemented in a real environment using a simple low-loss pendulum analogy due to the lack of air bearing. The measurement results demonstrate the small form factor PCB-based magnetorquer design's effectiveness.

Etkili pozisyon belirleme ve kontrol (yönlendirme) elde etmek için Dünya'nın manyetik alanını kullanan uzay görevleri, nispeten düşük irtifalarda, Alçak Dünya Yörüngesinde (LEO) giderek daha popüler hale geliyor. CubeSats (U sınıfı uzay aracı), LEO'da konuşlandırılır ve önemli performans düşüşü olmadan minyatürleştirme teknolojisine dayanır. Pozisyon Belirleme ve Kontrol Sistemleri içinde, küre modeli etrafında iyi bilinen bir dağılım haritası ile işlevsel bir tork seviyesi oluşturmak için hala yeterince güçlü olan Dünya'nın manyetik alanını kullanan manyetik tork üreteci (magnetorquer) kullanırlar. Bu tez, minyatür CubeSat boyutları dikkate alınarak, PCB formunda küçük form faktörlü bir bobin ve magnetorquer tasarımı sunmaktadır. Birkaç çalışma ve simülasyona dayalı değerlendirmeler yoluyla torkun etkinliğini gösterse de, gerçek bir ortamda değerlendirilmemiştir. Bu tezde, sürtünmesiz rulman olmaması nedeniyle basit bir düşük kayıplı sarkaç benzetmesi kullanarak gerçek bir ortamda uygulanabilen tork ölçümü için bir test tezgahı öneriyoruz. Ölçüm sonuçları, küçük form faktörlü PCB tabanlı magnetorquer tasarımının etkinliğini göstermektedir.