Design, analysis and optimization of an 8U CubeSat having a spectrophotometer pay load for astrophysics applications
| datacite.contributor.RelatedPerson | Λάππας, Βάιος | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Κουστουμπάρδης, Παναγιώτης | |
| datacite.contributor.Supervisor | Κωστόπουλος, Βασίλειος | |
| dc.contributor.author | Κατσιάδας, Γεώργιος | |
| dc.contributor.other | Katsiadas, Georgios | |
| dc.date.accessioned | 2026-10-07T08:29:53Z | |
| dc.date.available | 2026-10-07T08:29:53Z | |
| dc.date.issued | 2026-10-07 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | Τhis diploma thesis deals with the design, analysis, and optimization of an 8U CubeSatnanosatellite, which carries as its payload an optical telescope (80 mm in diameter, f/1.4) with a CMOS sensor, for the purpose of detecting exoplanets through transit photometry. The mission’s objective is to implement a hybrid observation strategy (combining radial velocity and extended monitoring data) using the defocused PSF technique, theoretically achieving photometric accuracy in the range of 200–400 ppm.From an engineering perspective, the system’s development was based on strict weight and volume constraints, while maintaining high structural rigidity. The main frame was designed using 7075-T6 aluminum alloys, while Al 6082-T651 and Al 5005-H14 alloys were selected for the deployable (DSPs) and mounted (MSPs) solar panels, respectively. Through this approach, the total estimated mass of the satellite was limited to 9.30 kg, fully satisfying the launch mass limit, with the center of mass (CoM) maintained within the permitted safety limits.To verify the structural integrity of the design against launch loads, a Finite Element Analysis (FEA) was performed using ABAQUS software. Initially, the quasi-static analysis showed that the maximum von Mises stresses remain significantly lower than the yield strength of the selected materials, ensuring a positive margin of safety (MOS) for all subsystems. The modal analysis revealed that the system’s first natural frequency is 100.4 Hz, clearly exceeding the critical threshold of 40 Hz (Rideshare specifications) and thus preventing the risk of resonance with the rocket. Finally, the random vibration (PSD) analysis based on the 3σ statistical criterion confirmed that all dynamic stresses remain strictly within the elastic range.In conclusion, the designed CubeSat meets all the required operational and mechanicalspecifications for flight certification. As future work, it is recommended to conduct an extensive thermal analysis, as well as to integrate a micro-propulsion system (thrusters) for the satellite’s controlled reentry into the atmosphere, with the aim of reducing space debris. | |
| dc.description.translatedabstract | Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη σχεδίαση, ανάλυση καιβελτιστοποίηση ενός νανοδορυφόρου κατηγορίας 8U CubeSat, ο οποίος φέρει ως ωφέλιμο φορτίο ένα οπτικό τηλεσκόπιο (διαμέτρου 80mm, f/1.4) με αισθητήρα CMOS, με σκοπό τον εντοπισμό εξωπλανητών μέσω φωτομετρίας διαβάσεων. Στόχος της αποστολής είναι η εφαρμογή μιας υβριδικής στρατηγικής παρατήρησης (που συνδυάζει δεδομένα radial velocity και extended monitoring) με χρήση της τεχνικής defocused PSF, επιτυγχάνοντας θεωρητικά φωτομετρική ακρίβεια της τάξης των 200-400 ppm.Από μηχανολογική σκοπιά, η ανάπτυξη του συστήματος βασίστηκε στον αυστηρόπεριορισμό του βάρους και του όγκου, διατηρώντας ταυτόχρονα υψηλή δομική ακαμψία. Ο κύριος σκελετός (frame) σχεδιάστηκε από κράμα αλουμινίου 7075-T6, ενώ για τα αναπτυσσόμενα (DSPs) και σταθερά (MSPs) ηλιακά πάνελ επιλέχθηκαν τα κράματα Al 6082-T651 και Al 5005 H14 αντίστοιχα. Μέσω αυτής της προσέγγισης, η συνολική εκτιμώμενη μάζα του δορυφόρου περιορίστηκε στα 9.30 kg, ικανοποιώντας πλήρως το κατασκευαστικό όριο εκτόξευσης, με το κέντρο μάζας (CoM) να διατηρείται εντός των επιτρεπόμενων ορίων ασφαλείας.Για την επιβεβαίωση της δομικής ακεραιότητας της κατασκευής έναντι των φορτίων εκτόξευσης, πραγματοποιήθηκε Ανάλυση Πεπερασμένων Στοιχείων (FEA) στο λογισμικό ABAQUS. Αρχικά, η ψευδό-στατική (quasi-static) ανάλυση έδειξε ότι οι μέγιστες τάσεις Von Mises παραμένουν σημαντικά χαμηλότερες από το όριο διαρροής των επιλεγμένων υλικών, εξασφαλίζοντας θετικό περιθώριο ασφαλείας για όλα τα υποσυστήματα. Η modal ανάλυση ανέδειξε ότι η πρώτη ιδιοσυχνότητα του συστήματος εντοπίζεται στα 100.4 Hz, υπερβαίνοντας ξεκάθαρα το κρίσιμο όριο των 40 Hz (προδιαγραφές Rideshare) και αποτρέποντας έτσι τον κίνδυνο συντονισμού με τον πύραυλο. Τέλος, η ανάλυση τυχαίων ταλαντώσεων (Random Vibration/PSD) με βάση το στατιστικό κριτήριο 3σ επιβεβαίωσε ότι όλες οι δυναμικές τάσεις διατηρούνται αυστηρά στην ελαστική περιοχή.Συμπερασματικά, ο σχεδιασμένος CubeSat πληροί όλες τις απαιτούμενες λειτουργικές και μηχανικές προδιαγραφές πτητικής πιστοποίησης. Ως μελλοντική εργασία προτείνεται η διεξαγωγή εκτενούς θερμικής ανάλυσης, καθώς και η ενσωμάτωση συστήματος μίκρο-προώθησης (thrusters) για την ελεγχόμενη επανείσοδό του δορυφόρου στην ατμόσφαιρα, με γνώμονα τη μείωση των διαστημικών απορριμμάτων. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/32885 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Greece | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/ | |
| dc.subject | Satellite | |
| dc.subject | CubeSat 8U | |
| dc.subject | Photometry | |
| dc.subject | Structural design | |
| dc.subject | Finite element analysis | |
| dc.subject.alternative | Δορυφόροι | |
| dc.subject.alternative | Νανοδορυφόρος 8U | |
| dc.subject.alternative | Φωτομετρία | |
| dc.subject.alternative | Δομικός σχεδιασμός | |
| dc.subject.alternative | Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων | |
| dc.title | Design, analysis and optimization of an 8U CubeSat having a spectrophotometer pay load for astrophysics applications | |
| dc.title.alternative | Σχεδίαση, ανάλυση και βελτιστοποίηση ενός 8U νανοδορυφόρου για την μεταφορά ενός φωτόμετρου για αστροφυσικές εφαρμογές |