Magnetic Attitude Control System for a Small Satellite. Impact on the Thermal Performance

El principal objetivo de la tesis es estudiar el acoplamiento entre los subsistemas de control de actitud y de control térmico de un pequeño satélite, con el fin de buscar la solución a los problemas relacionados con la determinación de los parámetros de diseño. Se considera la evolución de la actitud y de las temperaturas del satélite bajo la influencia de dos estrategias de orientación diferentes: 1) estabilización magnética pasiva de la orientación (PMAS, passive magnetic attitude stabilization), y 2) control de actitud magnético activo (AMAC, active magnetic attitude control). En primer lugar se presenta el modelo matemático del problema, que incluye la dinámica rotacional y el modelo térmico. En el problema térmico se considera un satélite cúbico modelizado por medio de siete nodos (seis externos y uno interno) aplicando la ecuación del balance térmico. Una vez establecido el modelo matemático del problema, se estudia la evolución que corresponde a las dos estrategias mencionadas. La estrategia PMAS se ha seleccionado por su simplicidad, fiabilidad, bajo coste, ahorrando consumo de potencia, masa coste y complejidad, comparado con otras estrategias. Se ha considerado otra estrategia de control que consigue que el satélite gire a una velocidad requerida alrededor de un eje deseado de giro, pudiendo controlar su dirección en un sistema inercial de referencia, ya que frecuentemente el subsistema térmico establece requisitos de giro alrededor de un eje del satélite orientado en una dirección perpendicular a la radiación solar incidente. En relación con el problema térmico, para estudiar la influencia de la velocidad de giro en la evolución de las temperaturas en diversos puntos del satélite, se ha empleado un modelo térmico linealizado, obtenido a partir de la formulación no lineal aplicando un método de perturbaciones. El resultado del estudio muestra que el tiempo de estabilización de la temperatura y la influencia de las cargas periódicas externas disminuye cuando aumenta la velocidad de giro. Los cambios de temperatura se reducen hasta ser muy pequeños para velocidades de rotación altas. En relación con la estrategia PMAC se ha observado que a pesar de su uso extendido entre los micro y nano satélites todavía presenta problemas que resolver. Estos problemas están relacionados con el dimensionamiento de los parámetros del sistema y la predicción del funcionamiento en órbita. Los problemas aparecen debido a la dificultad en la determinación de las características magnéticas de los cuerpos ferromagnéticos (varillas de histéresis) que se utilizan como amortiguadores de oscilaciones en los satélites. Para estudiar este problema se presenta un modelo analítico que permite estimar la eficiencia del amortiguamiento, y que se ha aplicado al estudio del comportamiento en vuelo de varios satélites, y que se ha empleado para comparar los resultados del modelo con los obtenidos en vuelo, observándose que el modelo permite explicar satisfactoriamente el comportamiento registrado. ABSTRACT The main objective of this thesis is to study the coupling between the attitude control and thermal control subsystems of a small satellite, and address the solution to some existing issues concerning the determination of their parameters. Through the thesis the attitude and temperature evolution of the satellite is studied under the influence of two independent attitude stabilization and control strategies: (1) passive magnetic attitude stabilization (PMAS), and (2) active magnetic attitude control (AMAC). In this regard the mathematical model of the problem is explained and presented. The mathematical model includes both the rotational dynamics and the thermal model. The thermal model is derived for a cubic satellite by solving the heat balance equation for 6 external and 1 internal nodes. Once established the mathematical model of the problem, the above mentioned attitude strategies were applied to the system and the temperature evolution of the 7 nodes of the satellite was studied. The PMAS technique has been selected to be studied due to its prevalent use, simplicity, reliability, and cost, as this strategy significantly saves the overall power, weight, cost, and reduces the complexity of the system compared to other attitude control strategies. In addition to that, another control law that provides the satellite with a desired spin rate along a desired axis of the satellite, whose direction can be controlled with respect to the inertial reference frame is considered, as the thermal subsystem of a satellite usually demands a spin requirement around an axis of the satellite which is positioned perpendicular to the direction of the coming solar radiation. Concerning the thermal problem, to study the influence of spin rate on temperature evolution of the satellite a linear approach of the thermal model is used, which is based on perturbation theory applied to the nonlinear differential equations of the thermal model of a spacecraft moving in a closed orbit. The results of this study showed that the temperature stabilization time and the periodic influence of the external thermal loads decreases by increasing the spin rate. However, the changes become insignificant for higher values of spin rate. Concerning the PMAS strategy, it was observed that in spite of its extended application to micro and nano satellites, still there are some issues to be solved regarding this strategy. These issues are related to the sizing of its system parameters and predicting the in-orbit performance. The problems were found to be rooted in the difficulties that exist in determining the magnetic characteristics of the ferromagnetic bodies (hysteresis rods) that are applied as damping devices on-board satellites. To address these issues an analytic model for estimating their damping efficiency is proposed and applied to several existing satellites in order to compare the results with their respective in-flight data. This model can explain the behavior showed by these satellites.

Ku band waveguide diplexer design for satellite communication. Implementation by additive manufacturing and experimental characterization

Gran cantidad de servicios de telecomunicación tales como la distribución de televisión o los sistemas de navegación están basados en comunicaciones por satélite. Del mismo modo que ocurre en otras aplicaciones espaciales, existe una serie de recursos clave severamente limitados, tales como la masa o el volumen. En este sentido, uno de los dispositivos pasivos más importantes es el diplexor del sistema de alimentación de la antena. Este dispositivo permite el uso de una única antena tanto para transmitir como para recibir, con la consiguiente optimización de recursos que eso supone. El objetivo principal de este trabajo es diseñar un diplexor que cumpla especificaciones reales de comunicaciones por satélite. El dispositivo consiste en dos estructuras filtrantes unidas por una bifurcación de tres puertas. Además, es imprescindible utilizar tecnología de guía de onda para su implementación debido a los altos niveles de potencia manejados. El diseño del diplexor se lleva a cabo dividiendo la estructura en diversas partes, con el objetivo de que todo el proceso sea factible y eficiente. En primer lugar, se han desarrollado filtros con diferentes respuestas – paso alto, paso bajo y paso banda – aunque únicamente dos de ellos formarán el diplexor. Al afrontar su diseño inicial, se lleva a cabo un proceso de síntesis teórica utilizando modelos circuitales. A continuación, los filtros se optimizan con técnicas de diseño asistido por ordenador (CAD) full-wave, en concreto mode matching. En este punto es esencial analizar las estructuras y su simetría para determinar qué modos electromagnéticos se están propagando realmente por los dispositivos, para así reducir el esfuerzo computacional asociado. Por último, se utiliza el Método de los Elementos Finitos (FEM) para verificar los resultados previamente obtenidos. Una vez que el diseño de los filtros está terminado, se calculan las dimensiones correspondientes a la bifurcación. Finalmente, el diplexor al completo se somete a un proceso de optimización para cumplir las especificaciones eléctricas requeridas. Además, este trabajo presenta un novedoso valor añadido: la implementación física y la caracterización experimental tanto del diplexor como de los filtros por separado. Esta posibilidad, impracticable hasta ahora debido a su elevado coste, se deriva del desarrollo de las técnicas de manufacturación aditiva. Los prototipos se imprimen en plástico (PLA) utilizando una impresora 3D de bajo coste y posteriormente se metalizan. El uso de esta tecnología conlleva dos limitaciones: la precisión de las dimensiones geométricas (±0.2 mm) y la conductividad de la pintura metálica que recubre las paredes internas de las guías de onda. En este trabajo se incluye una comparación entre los valores medidos y simulados, así como un análisis de los resultados experimentales. En resumen, este trabajo presenta un proceso real de ingeniería: el problema de diseñar un dispositivo que satisfaga especificaciones reales, las limitaciones causadas por el proceso de fabricación, la posterior caracterización experimental y la obtención de conclusiones.

Analytical study of the thermal behaviour and stability of a small satellite

In this work the thermal analysis of a small satellite orbiting around the Earth has been approached by direct integration of the heat balance equations of a two-node reduced model, obtaining a linearized second order ODE problem, similar in form to the classical case of the forced vibration of a damped system. As the thermal loads (solar radiation, albedo, etc.) are harmonic, the problem is solved by means of Fourier analysis methods. Research on that field can be directly applied to the analysis of thermal problems and the results obtained are satisfactory. Working on the frequency domain streamlines the analysis, simplifies the study and facilitates the experimental testing. The transfer functions are obtained for the two-node case but the study can be extended to an n-node model.

Nonlinear analysis of a simple model of temperature evolution in a satellite

We analyze a simple model of the heat transfer to and from a small satellite orbiting round a solar system planet. Our approach considers the satellite isothermal, with external heat input from the environment and from internal energy dissipation, and output to the environment as black-body radiation. The resulting nonlinear ordinary differential equation for the satellite’s temperature is analyzed by qualitative, perturbation and numerical methods, which prove that the temperature approaches a periodic pattern (attracting limit cycle). This approach can occur in two ways, according to the values of the parameters: (i) a slow decay towards the limit cycle over a time longer than the period, or (ii) a fast decay towards the limit cycle over a time shorter than the period. In the first case, an exactly soluble average equation is valid. We discuss the consequences of our model for the thermal stability of satellites.

La idea de Monumentalidad en la Segunda Posguerra: Debates y Propuestas

El presente trabajo aborda el análisis de la idea de monumentalidad, así como el diseño y la construcción de monumentos concretos, a la finalización de la Segunda Guerra Mundial, prestando especial atención al intento del Movimiento Moderno de introducirse en un campo que hasta entonces le había sido ajeno. Entendiendo que el monumento es ante todo un artefacto para la memoria, y analizando las teorías de sociólogos como Émile Durkheim, Maurice Halbwachs, Jan Assmann o Iwona Irwin-Zarecka, la tesis se propone explicar el papel que juegan los monumentos en la creación de una memoria colectiva que, a diferencia de la historia, es una recopilación selectiva de acontecimientos del pasado cuyo fin es procurar y celebrar la permanencia del grupo social. También se propone analizar el papel del monumento como elemento de estabilidad en el paisaje urbano que genera de forma natural el apego de los ciudadanos, puesto que forma parte destacada del marco espacial en el que se han desarrollado sus vidas. Desde estas dos facetas se pretende justificar la necesidad de monumentos que experimenta cualquier grupo social, y por qué las guerras, que ponen en peligro la estructura, e incluso la propia vida del grupo, son acontecimientos que generan una tendencia especial a la construcción de monumentos que conjuren el peligro al que éste se ha visto sometido. Se explicarán las razones por las que la conmemoración de la Segunda Guerra Mundial se volvió especialmente problemática. Entre las principales, la desaparición de fronteras entre frente y retaguardia, entre objetivos militares y civiles; por otra parte la despersonalización de la acción bélica como consecuencia de la aplicación de la tecnología; en tercer lugar el papel de los medios de comunicación de masas, que por primera vez en la historia irrumpieron de forma masiva en una guerra, y ofrecían imágenes instantáneas, más impactantes y con un aura de realidad con la que el monumento convencional no era capaz de competir; en cuarto lugar el inicio de la era atómica, que enfrentaba por primera vez a la humanidad a la posibilidad de su destrucción total; y finalmente la experiencia del Holocausto, en cuanto que aniquilación carente de objetivo e ideología, que se servía del progreso de la ciencia para ganar en eficiencia, y que puso de manifiesto la manipulabilidad de la tecnología al servicio de unos intereses particulares. Como respuesta a esta dificultad para la conmemoración, se popularizaron dos fórmulas hasta entonces marginales que podemos considerar características del momento: una de ellas es el living memorial, que trataba de ofrecer una lectura constructiva de la guerra poniendo de relieve determinadas funciones prácticas de carácter democrático, cultural, deportivo, etc. que se presentaban como los frutos por los que se había combatido en la guerra. En esta fórmula es donde el Movimiento Moderno encontró la posibilidad de abordar nuevos proyectos, en los que la función estaba presente pero no era el ingrediente determinante, lo que obligaría a un enriquecimiento del lenguaje con el que responder a la dimensión emotiva del monumento. Y si bien hay en esta época edificios modernos que podemos calificar justamente de monumentos, el desplazamiento del centro del debate teórico hacia cuestiones estilísticas y expresivas limitó considerablemente la claridad de los enunciados anteriores y la posibilidad de consenso. Dentro de los living memorials, las sedes de la Organización de Naciones Unidas y sus correspondientes agencias representaron la mayor esperanza del Movimiento Moderno por construir un auténtico monumento. Sin embargo, el sistema de trabajo en grupo, con su correspondiente conflicto de personalidades, la ausencia de proyección de los edificios sobre el espacio urbano anexo, y sobre todo el propio descrédito que comenzaron a sufrir las instituciones con el comienzo de la Guerra Fría, frustraron esta posibilidad. La segunda fórmula conmemorativa sería el monumento de advertencia o mahnmal, que renuncia a cualquier rasgo de heroísmo o romanticismo, y se concentra simplemente en advertir de los riesgos que implica la guerra. Dicha fórmula se aplicó fundamentalmente en los países vencidos, y generalmente no por iniciativa propia, sino como imposición de los vencedores, que de alguna forma aprovechaban la ocasión para hacer examen de conciencia lejos de la opinión pública de sus respectivos países. ABSTRACT This paper explores the idea of monumentality through the analysis of the design and construction of several monuments at the end ofWorldWar II. It pays particular attention to the attempt of the Modern Movement to enter a field that had been ignored until this moment. With the assumption that a monument is primarily a mnemonic device, this thesis focuses on the thinking of sociologists like Émile Durkheim, Maurice Halbwachs, Jan Assmann or Iwona Irwin-Zarecka, with the aim of explaining the role of monuments in the creation of a collective memory which, unlike history, consists of past events selected in order to secure and celebrate the permanence of a social group. It also considers the role of monuments as elements of stability in the urban landscape that naturally get assimilated by society, since they are prominent elements in the shared spaces of daily life. These two features explain the need felt by any society for monuments, and how wars, events that endanger the structure and even the existence of that same society, generate a special tendency to build monuments to conjure that inherent danger. The reasons why the memorializing of World War II became especially problematic will be explained. Primary among them is the blurring of boundaries between the front line and the domestic front, between military and civilian targets; moreover, the depersonalization of warfare as a result of advances in technology; thirdly, the role of mass media, which for the first time in history extensively covered a war, instantly broadcasting images of such power and with such an aura of reality that conventional monuments became obsolete; fourthly, the beginning of the atomic age, which meant that mankind faced the possibility of complete destruction; and finally the Holocaust, a racial annihilation devoid of purpose and ideology, which took advantage of scientific progress to gain efficiency, manipulating technology to serve particular interests. In response to this difficulty in commemorating wars, two formulas hitherto marginal gained such popularity as to become prototypes: one was the living memorial, offering a constructive reading of the war by hosting certain practical functions of democratic, cultural or sporting nature. Living memorials presented themselves as the image of the outcome for which the war had been fought. The Modern Movement found in this formula the opportunity for tackling new projects, in which function was present but not as the determining ingredient; in turn, they would require an enhancement of language in order to account for the emotional dimension of the monument. And while there are modern buildings at this time that we can justly describe as monuments, the displacement of the focus of the theoretical debate to stylistic and expressive issues considerably limited the clarity of previous statements and the possibility of consensus. Among all living memorials, the headquarters of the United Nations Organization and its satellite agencies represented the ultimate hope of the Modern Movement to build an authentic monument. However, the group-based design process, the fight of egos it caused, the lack of presence of these buildings over the adjacent urban space, and especially the very discredit that these institutions began to suffer with the onset of the Cold War, all thwarted this expectation. The second commemorative formula was the warning monument or Mahnmal, which rejects any trace of heroism or romanticism, and simply focuses on warning about the risks of war. This formula was mainly used in defeated countries, and generally not on their own initiative, but as an imposition of the victors, which seized the opportunity to do some soul-searching far away from the public opinion of their respective countries.

Networked Utopia : the Architecture and Urbanism of the Bata Shoe Company Satellite Cities = Utopia en red : arquitectura y urbanismo en las ciudades satélite de la Bata Shoe Company, 1930 al presente

From its humble beginnings as a small workshop established by Tomáš Baťa in 1874, the Bata Shoe Company became a gigantic concern in the 1920s, built on the principles of scientific management and welfare capitalism. The growth of the company engulfed Zlín (in today’s Czech Republic), its hometown, and transformed it into a modern industrial garden city satisfying the needs of both a growing industrial population, and those of the company itself. As a reaction to the aftermath of the crisis of 1929, the enterprise began a strategy of decentralization and international expansion characterized by the design and construction of a series of modern industrial towns that replicated the model of Zlín around the globe. This study is an exhaustive survey of these cities, their rationale, design, and their postindustrial conditions; it is a comparative work that has used field trips, photography, interviews, and archival material to explain the logics behind Bata’s project, to document the design and implementation of the model to multiple contexts and geographies, and to evaluate of the urban legacy of this undertaking. Finally, the research explores the question of what can the design disciplines, and other parties involved, learn from a full synthesis on the history and urbanism of the Bata satellite cities with regard to the re-imagination and sustainability of contemporary industry-sponsored interventions in developing geographies. RESUMEN Con origen en un humilde y pequeño taller fundado en 1874 por Tomáš Baťa, la Bata Shoe Company creció hasta convertirse en una gigantesca empresa en los anos 20, fundada en principios de control científico de la producción y capitalismo de bienestar. El crecimiento de la compañía se extendió por Zlín (en la actual República Checa), su pueblo de nacimiento, y la transformó en una moderna ciudad jardín industrial capaz de satisfacer las necesidades tanto de una población en alza como de la propia empresa. Como reacción a la crisis de 1929, Bata inició una estrategia de descentralización y expansión internacional caracterizada por el proyecto y construcción de modernas ciudades industriales que replicaron el modelo de Zlín por el mundo. Esta tesis es un estudio exhaustivo de estas ciudades: las razones detrás del proyecto, su diseño, y su condición post-industrial; es un estudio comparativo que se ha servido de trabajo de campo, documentación fotográfica, entrevistas y materiales de archivo para explicar la lógica detrás del proyecto de Bata, documentar el diseño e implementación de tal modelo en múltiples contextos y geografías, y valorar el legado urbano de esta empresa. Finalmente, la investigación evalúa qué podrían aprender las disciplinas del diseño y otras partes implicadas de una síntesis completa de la historia y el urbanismo de las ciudades satélite de Bata, en lo relativo a la reinvención y sostenibilidad de proyectos contemporáneos de la industria en geografías en desarrollo.

A Transportable Reflectarray Antenna for Satellite Ku-band Emergency Communications

The design of a Ku-band reconfigurable reflectarray antenna for emergency satellite communications is presented. Bidirectional high data rate satellite links are needed in emergency conditions where other telecommunication infrastructures are not available. In order to operate in this type of scenario, an antenna should be deployable, transportable, and easily repointable. The need of an automatic and fast satellite location and pointing system leads to a completely electronic reconfigurable antenna. The operative bandwidth is from 10.7 to 12.5 GHz for reception and from 14 up to 14.5 GHz for transmission (30% of relative bandwidth). The selected antenna architecture is based on a dual reflectarray system comprising a passive subreflectarray and an active main reflectarray made of reconfigurable 1-bit elementary cells based on PIN diodes.

Reflectarray antennas for dual polarization and broadband telecom satellite applications

A reflectarray antenna with improved performance is proposed to operate in dual-polarization and transmit-receive frequencies in Ku-band for broadcast satellite applications. The reflectarray element contains two orthogonal sets of four coplanar parallel dipoles printed on two surfaces, each set combining lateral and broadside coupling. A 40-cm prototype has been designed, manufactured, and tested. The lengths of the coupled dipoles in the reflectarray cells have been optimized to produce a collimated beam in dual polarization in the transmit and receive bands. The measured radiation patterns confirm the high performance of the antenna in terms of bandwidth (27%), low losses, and low levels of cross polarization. Some preliminary simulations at 11.95 GHz for a 1.2-m antenna with South American coverage are presented to show the potential of the proposed antenna for spaceborne antennas in Ku-band.