Design, Testing and Qualification of a Deployable Rigid Boom System for Electric Field Measurements on board a Sounding Rocket
2024 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesis
Abstract [en]
The Lower-thermosphere–ionosphere (LTI) is a unique region located between 80-200 km above the surface of our planet. It is a transition region between the atmosphere and space, making it a complex system coupled to both regions. As such, it is home to a number of unique characteristics, one of which is the energy sink the region acts as. A primary source of energy deposited from the solar wind to the region is through Joule Heating (JH), of which the details are still largely unknown. SYstematic Study of lower Thermosphere Energetics by a Rocket (SYSTER) is a sounding rocket mission due to launch in late 2025 from Esrange, Sweden, with the objective to provide measurements to answer some of these uncertainties. Sounding rockets have long been the go-to method of performing in-situ measurements in the LTI, as the altitudes in which it resides make it hard to access by other means. To fulfill the mission goals the electric field needs to be determined. This is done through electric field probes, that collectmeasurements as the rocket is traveling through the region. To avoid interference from the rocket itself, these probes should be well removed from the body. This can be done by placing them at the end of long extendable booms. The mechanical design of such a boom, is the topic of this thesis. For this purpose a Rigid Deployable Boom System (RDBS) was designed, manufactured and tested. The RDBS designed is a two hinge solution, capable of extending the electric field probes 3.3 meters from each other. FEA simulations for the launch loads (static loads & random vibrations) were performed, and showed excellent performance of the RDBS with low stresses across all components. The deployment of the RDBS was both simulated and tested on a spin table, and both methods show promising results. During the deployment test, the RDBS got caught on the test setup, causing a glue joint to break and twisting the boom. Despite this, the boom deployed fully and locked both hinges meeting the primary goal of the test. Future work includes refining the test setup and redoing the deployment test to ensure successful deployment in flight.
Abstract [sv]
Den undre termosfär-jonosfären är en unik del av atmosfären som ligger på 80-200 km höjd ovanför jordytan. Det är en övergångsregion mellan atmosfären och rymden, vilket gör den till ett komplext system kopplat till båda regionerna. Det gör att regionen får en mängd unika egenskaper, bland annat all energi regionen tar upp. En av de största källorna till energin från solvinden som tas upp kommer i formen av joule uppvärmning (eng. joule heating), vars detaljer fortfarande är till stora delar okända. SYstematic Study of lower Thermosphere Energetics by a Rocket (SYSTER) är ett sondraket projekt som planeras skjutas upp från Esrange, Kiruna sent 2025. Projektets mål är bland annat att göra mätningar med syftet att förklara delar av dessa detaljer. Sondraketer har historiskt varit den föredragna metoden för att systematiskt undersöka regionen, då höjden den ligger på gör det svårt för andra metoder. För att nå projektets mål måste det elektriska fältet bestämmas. Det kan göras med ett elektrisktfältinstrument. För att undvika störningar från raketen bör instrumentets sonder placeras väl utanför raketkroppen. Det kan göras genom att placera sonderna på änden av en utfällbar bom. Den makaniska designen av en sådan bom är vad den här rapporten kommer att avhandla. I det syftet har en stel utfällbar bom designats, tillverkats och testats. Lösningen har två gångjärn och kan ge sonderna ett avstånd på 3,3 meter mellan varandra. Finit elements analys har använts för att simulera uppskjutningslasterna (statiska laster och vibrationer), och visade på bra prestanda av bommen, med låga spänningar på alla komponenter. Utfällningen av bommen både simulerades och testades, och båda metoderna visade lovande resultat. Under utfällningstestet så fastnade bommen på testuppställningen, vilket vred bommen något. Trots detta så fälldes bommen ut helt, och båda gångjärnen låstes vilket uppfyllde testets huvudsyfte. Framtida arbete inkluderar att förfina testuppställningen och göra om utfällningstestet för att försäkra en korrekt utfällning under flygning.
Place, publisher, year, edition, pages
2024. , p. 87
Series
TRITA-EECS-EX ; 2024:1004
Keywords [en]
Deployable boom, sounding rocket, SYSTER, space mechanisms, random vibration analysis, in situ electric field measurements
Keywords [sv]
Utfällbar bom, sondraket, SYSTER, rymdmekanismer, slumpad vibrationsanalys, in situ elektriska fältmätningar
National Category
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-361659OAI: oai:DiVA.org:kth-361659DiVA, id: diva2:1947167
Supervisors
Examiners
2025-03-272025-03-252025-03-27Bibliographically approved