internship report overall cad drawing of the payload of lrx

41
Figure 1 Lunar Radio Explorer 1 Institut Polytechnique des Sciences Avancées 7‐9 rue Maurice Grandcoing 94200 Ivry‐sur‐Seine France Radboud University Nijmegen P.O. Box 9102 6500 HC Nijmegen the Netherlands Aero4 ‐ Internship Report Overall CAD drawing of the payload of LRX radio antenna Internship Supervisor: Professor Heino Falcke Student: Alexandre Korsak Internship period: June 15 th to September 15 th , 2010 project NEXT ‐ Lunar Radio eXplorer

Upload: khangminh22

Post on 21-Jan-2023

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

                                  

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 1 

Lunar Radio Explorer 1 

 

 

   

Institut Polytechnique des Sciences Avancées 7‐9 rue Maurice Grandcoing  94200 Ivry‐sur‐Seine France 

Radboud University Nijmegen  P.O. Box 9102  6500 HC Nijmegen  the Netherlands 

Aero4 ‐ Internship Report 

Overall CAD drawing of the payload of LRX radio antenna 

Internship Supervisor:  Professor Heino Falcke 

Student: Alexandre Korsak     

Internship period: June 15th to September 15th, 2010 

 

project NEXT ‐ Lunar Radio eXplorer 

2  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

Table of Contents 

 

1. Acknowledgements ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 3 

2. Technical Summary ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 4 

3. Introduction ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 6 

4. Our work ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 12 

4.1. Requirements ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 12 

4.1.1. Technical Specifications ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 12 

4.1.2. Environmental specifications ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 13 

4.2. What has been already proposed? ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 14 

4.2.1. Small folded strips ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 14 

4.2.2. Umbrella‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 15 

4.2.3. Mobile joints ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 16 

4.2.4. Tape‐measure ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 17 

5. The Tape‐measure design ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 18 

5.1. Advantages / Disadvantages ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 18 

5.2. Why ball bearings? ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 19 

5.3. Positioning the rolls ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 20 

5.4. Antenna’s Structure ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 24 

5.5. Entire Model ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 26 

5.6. Actuators ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 29 

5.6.1. Magnetic actuator ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 29 

5.6.2. Melting wire actuator ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 30 

5.7. Connection to Antenna ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 31 

5.8. Materials‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 33 

6. New possible design ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 35 

7. Conclusions and Future work‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 37 

8. References ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 38 

9. Appendixes ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 39 

9.1. Glossary ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 39 

9.2. Appendixes ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 40 

3  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

 1. Acknowledgements 

I  would  like  to  acknowledge  and  to  thank  the  people  in  Radboud  University  from  the  Department  of Astrophysics and the Technical Department for their strong support and assistance during my internship. 

I would  like to thank Professor Heino Falke, who leads researches on LOFAR Telescope and Astronomy from the Moon. He had the kindness to accept me into his group and let me work with autonomy on the LRX project.  

Amin Aminaei, engineer working on LOFAR Telescope and detection of cosmic rays supervised me.  His help during my entire internship period has been very useful to me.  

Linjie Chen, PHD student, helped me to understand how LNAs works and how to integrate them.  

Peter  Dolron  and  Harrie  van  Brakel,  from  the  Technical  Department,  helped  us  to  build  our  first prototype in Nijmegen.  

Esther Gebhardt, Cisca Custers and Daisy Maurits helped on paperwork and so many practical things. 

Olivier Roussel, also intern from IPSA, with whom I had good teamwork. By mutually sharing some tasks, we could speed up and respect our internship’s deadline. 

ESA and ESTEC, for the great opportunity they gave us and Radboud University with the NEXT initiative. 

 

I  especially  want  to  thank  the  entire  Astrophysics  Department  for  its  great welcoming  and  friendship during my internship. 

I enjoyed a great stay in Nijmegen and was very pleased by their ecological initiatives. I’m proud to have participated to the 4 days walk around the city.  

Hartelijk dank. 

 

 

 

 

 

   

4  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

2. Technical Summary 

 

Alexandre Korsak            From 15/06/2010 to 15/09/2010 

Main topic: Overall CAD drawing of LRX payload 

Approached subject:    

General mechanic 

Material Resistance 

CAD 

Final Elements Method 

Materials/ Alloys 

Requirements:  

‐ LRX is a six‐arm antenna of 1.25m each which will have to deploy on the moon 

‐ Antenna Type: Tripole antenna (three crossed dipoles with x‐shaped orientation), crossed dipole halves can be switched off to make 3 monopoles to use the lander as dust detector ‐ LRX needs to be able to survive on Lunar environment and special constraints as well 

‐ It have to be the lightest possible: 1.25 ‐ 1.5 kg for everything (strong upper limit, including margins) ‐ Needs to use less than 5‐10 W (10 W peak) ‐ Each arm need to bend less than 5 degrees 

 

Acquired: 

‐ Study of previous and already improved works ‐ Set up a list of possibilities ‐ Compare these possibilities and choose one: we will focus on the Tape‐measure design ‐ Materials resistance calculations in order to characterize constraints ‐ Actual trials and calibrate constraints ‐ Producing of a first prototype ‐ CAD drawing of a complete six antenna model ‐ Study of initials constraints ‐ Mass estimation:  order of magnitude seems to be right    

5  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

 

Next work: 

‐ Tests on prototype: measure the stress constraints applied on the structure by the tape antenna, these measure will allow us to optimize the structure’s thickness ‐ Vacuum trials: in order to characterize local soldering phenomena  ‐ Vibration trials: in order to make sure LRX system will not resonate during the take off and flight ‐ Study the possibility of a lightest structure ‐ Study the possibility of a structure without rolls. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

 

3. Introduction  

The Astronomy Department of Radboud University has been working on radio astronomy since years, and especially  on  low  frequencies  radio  astronomy.  They  developed  a  large  radio  telescope  working  with interferometers  called  LOFAR.  Its  observations  provide  very  useful  information  about  astronomy  and astrophysics (cosmic rays, particles showers and earth’s ionosphere). 

Actually,  radio astronomy  in  low  frequencies  is  impossible  from Earth’s ground, because of  ionosphere diffraction and of human activities impacting in Low Earth Orbit. Here is why radio astronomy from outer space has been decided: the moon provides a wonderful shield against human low frequencies activities and allows us by the way to observe brand new unexplored frequencies. 

In this context, ESA initiated multigenerational project named NEXT to send a lander with radio antennas on the Moon and on Mars. Professor Heino Falke and his team from Radboud University had proposed scenarios  to ESA and  sorted out pro&  cons.  In  turn,  ESA defined an overall  scientific payload on NEXT lunar lander and a specific part was assigned to the Astronomy Department of Radboud University. That project is called LRX, and the radio antenna part is the focus of my internship. 

The  team  in  Radboud  (cf.  Acknowledgments)  and  the  two  Interns  from  IPSA  started  by  purpose  to investigate on any  ideas and to check best practices that had been already tried by other missions. We started with a vision of multiple rovers that would spread away from the main lander to form a kind of LOFAR with  simple  antennas.  A  last minute  constraint was  to  cope with  budget  limitations  due  to  the current worldwide economical crisis. So we had to deal with the main  lander only and think of a more complex antennas system that would spread away from the lander. The Tape‐measure design was chosen as a cornerstone and studied more thoroughly to form a deployable bundle. 

In the end of study at Radboud University, ESA’s requirements seem to be fulfilled and a prototype was built  for  test  purposes.  It  is  unclear  whether  those  tests  can  happen  under  current  economical restrictions. More optimization is anyway still possible and due by ESA’s specialists. 

 

 

 

 

 

   

7  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

3.1. About Radboud university 

 

Figure 2: Huygens building at Radboud University 

Radboud University is located in Nijmegen (Netherlands) and enrolls over 17,500 students. The Institute for Mathematics, Astrophysics and Particle Physics (IMAPP) is part of Faculty of Sciences. The mission of IMAAP  is  to  carry  out  fundamental  research  in  high‐energy  physics,  high‐energy  astrophysics  and underlying mathematics. 

Theoretical High‐Energy Physics  

This department’s  research  covers  the entire  area of  fundamental particles  and  their  interactions.  The group’s research activities can be divided roughly into two parts: weak and electromagnetic interactions between quarks and leptons and strong interactions between quarks and particles composed of quarks.  

Experimental High‐Energy Physics  

This  department’s work  focuses mainly  on  fundamental  research  in  the  field  of  particle  physics. More specifically,  its  goals  are  to  investigate  the  properties  and mechanisms  of  interaction  in  both  hadron‐hadron  and  e+e‐  collisions  and  to  compare  experimental  results  with  the  predictions  of  and  the parameters used in descriptive models.  

Astrophysics  

This department is concentrating on the subject of high‐energy astrophysics. The universe forms a physics laboratory,  in which events take place that cannot be recreated here on earth and which are settled at the  edge  or  even  over  the  edge  of mankind's  present  knowledge  of  physics.  Exploring  this  edge  and understanding how highly energetic astrophysical phenomena are caused and affect their surroundings is the main objective of the research, which is observational as well as theoretical.  

Mathematics  

This  department  deals with  fundamental  research  in  Lie  theory  (in  particular:  hypergeometry  for  root systems), algebraic geometry (in particular: mixed Hodge theory and geometry of threefolds), singularity theory and differential geometry (in the context of statistical models), and applications to quantum optics and ergodic theory of quantum measurement.   

8  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

3.2. About NEXT Lunar Lander Mission 

The NEXT initiative first goal is to preparing ESA participation in future human exploration. 

It will help ESA to develop technologies, increase knowledge about spacecraft and human spaceflight and gain experience as well. 

The European Space Agency’s Next Exploration Science and Technology Mission (NEXT) is intended to fill a  gap  in  ESA’s  planetary  exploration  activities  between  ExoMars  (due  for  launch  in  2013)  and  Mars Sample Return (MSR is envisaged for the 2020 timeframe).  

NEXT  must  demonstrate  key  technologies  for  MSR  and  other  future  exploration  missions,  while  also performing  important  scientific  investigations.  After  an  internal  review  process,  ESA  has  now  selected two proposed NEXT mission concepts for Phase A study – Mars‐NEXT, which would perform activities at Mars, and Moon‐NEXT, which would land a scientific payload near the South Pole of the Moon.  

Following the results of these studies, one concept will be selected for implementation. 

Here we report on the scientific, technological and exploration‐related rationale for Moon‐NEXT. 

The principal mission objectives of Moon‐NEXT are as follows: 

• demonstrate precision  soft‐landing and hazard avoidance  technologies  required  for MSR and future exploration missions; 

• prepare for future lunar exploration activities by characterizing the lunar surface environment and performing relevant life science investigations; 

• advance our understanding of the origin, structure and evolution of the Moon by performing a range of geophysical and geochemical investigations; and 

• assess the value of the lunar surface as a site for performing science from the Moon, using radio astronomy as an example. 

The  precise  scientific  payload,  and  its  distribution  between  lander  and  rover,  is  still  to  be  decided. However, the science and exploration goals described below will necessitate at  least the following core instruments: 

• Multispectral imaging system 

• Broadband and short‐period seismometers 

• Heatflow probe 

• Alpha Particle X‐Ray Spectrometer (APXS) 

• Dust and micrometeorite detector/analyzer 

• Radiation detector 

• Low frequency radio detectors (dipoles) 

• Laser ranging retro‐reflector 

• Life sciences experiment(s) 

   

9  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

Moon‐NEXT  will  make  a  major  contribution  to  the  international  exploration  of  the  Moon  by characterizing the local geological, seismic, and radiation environments, the micrometeorite hazard, and ISRU potential of the site prior to the arrival of human explorers.  

This would constitute a major European contribution to the Global Exploration Strategy while at the same time yielding fundamental scientific knowledge of the Moon’s structure, history and environment. 

 

 

Figure 3: Landing Approach 

           

            

Figure 4: Landing Site 

   

10  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

3.3. LRX and Radio astronomy 

LRX  is  a  multipurpose‐instrument  which  will  support  the  objective  “to  characterize  the  lunar environment” using radio measurements. It will address a wide range of topics relevant for moon related  science  and  exploration,  such  as  measuring  cosmic  ray  flux,  micrometeorites  &  dust impacts, regolith structures, and the lunar ionosphere. It will also demonstrate for the first time radio interferometry on the moon and thus connect to the  theme  to  “exploit  the moon as a base  for  further  research”,  e.g.,  in preparation of  future radio telescopes.  Finally, it is directly related to the objective to “advance European surface operation capabilities” by deploying and operating a distributed lunar surface installation.  

Working principle 

The Lunar Radio Explorer is a superset of a range of radio‐related payloads proposed by various groups  in  Europe.  It  consists  of  three  broad‐band  low‐frequency  radio  antennas:  one  on  the lander, one on a rover, and one to be deployed on the lunar surface. In addition the antennas are combined with Langmuir probes to measure the electric field.  They will measure temporal variations of the plasma density, derived plasma parameters such as temperature, and the electric  field near  the  lunar surface that causes, e.g. dust  levitation. The three  radio  antennas  will  independently  from  each  other  monitor  the  spectral  and  temporal radio noise on the lunar surface as well as operate together to form a true radio interferometer.  Each antenna receives, digitizes, and processes radio waves independently.  Moreover, using a two‐way (RF) data link, the antennas are also time synchronized and the data is  transmitted  to  the  lander, where  the  radio  signals  are  cross‐correlated  and  integrated.  The integrated signal is transmitted to Earth for further processing.  Individually  the  antennas will  be  able  to  detect  impulsive  radio  signals  from  cosmic  rays  and search for radio signals from micrometeorites.  Spectral  measurements  of  strong  radio  sources  (Sun  &  Jupiter)  will  allow  measuring  radio attenuation  through  the moon surface and  the effects of  the  lunar  ionosphere. Together with large  existing  earth‐based  low‐frequency  radar  transmitter  it  can  also  operate  as  ground penetrating radar (GPR). In interferometric mode, the lunar ionosphere can be measured using the relative phase of radio waves. The impact location of radio pulse events can be determined using  triangulation.  Finally,  the  correlated  data  will  be  used  to  make  the  first  radio‐interferometric measurements of the  low‐frequency radio sky below 10 MHz and demonstrate the feasibility of operating a radio telescope on the moon. The radio receiver will operate in the frequency  range  of  0.1‐100 MHz  (optimized  for  1‐10 MHz).  The  spectral  resolution  would  be 1024 frequency channels. To optimize the operational use of the antennas they will use hybrid receivers  that  consist  of  a  low  power  sweep  receiver  for  radio  background measurements  in 

11  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

quasi‐stand‐by‐mode  and  a  broadband  digital  receiver  for  high‐throughput  and  hightime‐resolution measurements and interferometry.  

The  LRX  would  serve  a  broad  user  community  of  radio  scientists,  planetary  scientists,  and astrophysicists, preparing them for moon exploration. It will do the first in‐depth investigation of the radio background noise on the lunar surface. This is not only of relevance for radio surface communication but also allows one to study a broad range of radio phenomena, which have not yet been detected on a planetary surface so far. As such it seeks to test and develop a number of novel methods to  investigate the  local environment related to meteorite and CR  impacts, dust levitation,  plasma  properties,  electric  fields,  and  underground  properties,  which  are  of  high relevance to human exploration. Finally, LRX would be the first operating radio telescope on the lunar surface and therefore open the way for a future exploitation of the moon as a platform for scientific experiments, providing some highly visible scientific output. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

12  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

4. Our work  

4.1.   Requirements 

 

4.1.1.   Technical Specifications 

The main limitation here is the power budget and it was optimistically assumed that up to 10 W power would be provided. The following specifications were set:  Mass: 1.25 ‐ 1.5 kg for everything (strong upper limit, including margins) 

Power: 5‐10 W (10 W peak) 

Antenna Type: Tripole antenna (three crossed dipoles with x‐shaped orientation), crossed dipole halves can be switched off to make 3 monopoles to use the lander as dust detector 

 Dimensions: 2.5 m arm length (i.e. 1.25 half‐arm lengths) 

Analog Electronics: 3‐4 switchable sets of filters, LNAs, and pre‐amps 

Digital Processing: Store data for the time when the Earth is not in sight (isn’t that a feature that the lander should provide?) 

 Antenna Deployment:       Self‐unfolding metal foils, investigate possibility to “eject” antenna from the lander  Lifetime: 1 year 

Other Notes: There may be an additional 3m boom of the Langmuir probe dust experiment that contains at least a wire and would affect reception  

Work packages: ‐  Antenna design and simulation ‐  Antenna deployment ‐  Investigate  light‐weight outrigger antenna  (100g  to be deployed by a minirover or  spring‐mechanism) for interferometry tests 

 

   

13  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

4.1.2.   Environmental specifications 

Space Vacuum 

As this mission will be on the Moon and the orbit will go higher than 350km, external pressure is lower than 10#$MBar. 

This vacuum has a lot of consequences on the spacecraft: 

‐ Thermal:  vacuum means lakes of gas, or heat convection is possible only if there is some gas Pressure  under what we  consider  convection  is  insignificant  is  1.33  x 10#%MBar, which  is  our case. 

‐ Degassing:    A  component  is  degassing  when  its  steam  tension  is  higher  than  environment’s pressure. The gas resulting from this phenomenon can condense of colder part of the spacecraft. This phenomenon is very critical for every optical instrument.  

‐ Local  soldering:  Two soluble materials  contacting  in a vacuum environment can solder  to each other.  This  phenomenon  is  caused  by  the  lack  of  gas.  Actually,  on  Earth,  Air  is  acting  like  a lubricant  between  these  two  surfaces  and  avoids  this  phenomenon.  This  problem needs  to  be taken into account and some surface treatment will probably be needed.  

Micro‐gravity 

Gravity  on  Moon  is  very  lower  than  on  Earth  but  is  still  enough  to  provide  important  stress  on  the structure, it needs to be taken into account in every part sizing. 

 

Radiations 

There are two main kinds of radiations: 

‐ Corpuscular radiations, which are caused by protons, electrons and heavy  ions. These particles have  a  very  high  kinetic  energy  and  can  ionizing.  Then,  they  can  damage  surfaces  and semiconductors. So, it  is very important to prevent electronic from theses radiations with some armor plate.  

‐ Electromagnetic  radiations:    visible  and  infra‐red  radiations  have  a  huge  effect  of  the  thermal balance  and  needs  to  be  taken  into  account.  Ultraviolet  rays  can  damage  surfaces  (especially polymers) and Gamma and X‐Rays can cause troubles in electronic components and needs to be prevented from with armor and redundancy. 

 

 

   

14  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

4.2. What has been already proposed? 

4.2.1.   Small folded strips 

 

Figure 5: CAD view in stowed configuration 

This design consists in simple metallic strips with rectangular section, bent along the side of the boom. 

The best advantage of this design is the low mass due to the absence of any mechanical system. Then the energy needed for deployment is only contained in the elastic energy of these folded strips. 

However  the  deployment needs  to  be  controlled  and we must make  sure  that  this  deployment won’t cause any damage to other equipments of the Lander. 

So we have  to make  sure  that  these  strips will  stay  folded until we decide  that  they  can  deploy.  This means that we have to wait for the Lander to be in position, the Boom to be out, and wait long enough to make sure everything is motionless. This function can be provided by many ways which are detailed in the Actuators section. But we can assume that a Nylon wire/Thermal knife system would be the best solution in this case. 

Amongst  the  drawbacks  of  this  design  is  relatively uncontrollable  and  unpredictable  kinetic  energy dissipated  during  the  deployment.  As  it  could  cause  a mass  surplus  in  the  boom’s  structure,  we  need  to strengthen the boom, in order to make sure it can bear theses transitional moves. 

 

 

 

 

 

 

Figure 6: CAD view of both configurations: stowed and deployed 

15  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

Moreover,  this  way  of  bending  strips  can  cause resonance  frequencies  on  the  boom,  close  to those generated by the rocket during the take off. This problem is very serious and has to be checked with vibration tests. 

In  the  end,  for  the  same  mass,  the  flexion  of rectangular sections has very  lower performances than of U‐sections. 

 

 

4.2.2.   Umbrella 

For this design, two different versions have been proposed. The first one is the exact reproduction of an umbrella: each antenna is constituted of a unique part. The second version has the antenna cut  in two parts, and is thus more complex but more compact. 

The environmental specifications make this kind of design really hard to realize. 

Actually, the temperature gradient between parts exposed to Sun and parts which aren’t is very high and generates  different  thermal  dilatations  for  each  part.  This  implies  some  deformations  of  the  whole structure, which won’t be symmetrical and evolve depending on where the Sun is. All this will have some bad effects on the antenna’s measurements, which are not acceptable. 

Such differences of dilatation between each part may imply some issues for the deployment as well. 

The presence of many small parts and the fact that the antenna itself is cut in two parts will have some bad effects on the antenna’s electromagnetic pattern and on the data measured as well. 

Reliability is a problem too, because any issue in the deployment would mean none antenna can deploy, instead of only one stuck antenna. 

And finally, it appears during our project that the six antennas won’t be in the same axis than the boom, which definitely forbids usage of this design. 

 

 

Figure 8: CAD view of simple umbrella design              Figure 8bis: CAD view of compacter umbrella design 

 

Figure 7: Head of antenna 

16  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

 

4.2.3.   Mobile joints 

Mechanically, this design is really simple: each arm of the antenna is cut in two or three parts, connected together with some joints. 

The energy needed for deployment is provided by some circular springs; one by joint. 

As  for  the  folded  strips,  we  need  to  set  up  a  retention  mechanism  for  the  flight  period:  we  have  a preference for the Nylon wire/Thermal knife actuator. 

This design has the advantage to provide for a great structural rigidity and insures that each arm remains perfectly straight. 

Nonetheless,  the  geometrical  irregularity  caused  by  joints  will  have  some  effect  on  the  antenna’s electromagnetic pattern and can affect the quality of the collected data. 

As the folded strips, this design needs much room in stowed configuration, at least in one dimension. And as we haven’t  the exact  specifications  of  how big  this  volume will  be, we  cannot  guarantee  that  such volume can be integrated into the lander. 

 

 

Figure 9: CAD view of mobile joints design; Joints are represented by each green axis 

17  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

4.2.4.   Tape‐measure 

This design is very close to actual tape‐measures that you can find in any store. 

Each  arm of  the  antenna  is  a  very  thin  tape with U‐section  that  is wound  around  an  axis. One of  the antenna’s ends is built in this axis and provides then a reliable control of the deployment. Then, we have a linear relation between the revolution of this axis and the length of antenna which is already deployed. 

This design has the advantage of using a very small room in stowed configuration and is modular: each arm is independent from each other. 

Nonetheless, some mechanism is needed to manage the deployment and this implies a surplus of mass. That’s why this design cannot be the lightest one. 

Additionally,  a  study  of  materials  and  section’s  dimensions  is  needed  to  find  the  right  compromise between mass and sag, which has to be less than 5 degrees. 

Controlling deployment via the axis allows for a great choice about holding mechanisms and actuators. 

Unfortunately,  the  fact  that  the  antenna  is  wound  around  an  axis  implies  that  the  whole  antenna’s surfaces are in contact. We need to be very careful about local soldering phenomena, and some surface treatment is needed. 

 

 

 

 

 

 

 

   Figure 11: Complete six‐antenna system with Tape‐measure design 

Figure 10: CAD view of simple umbrella design 

 

18  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

5. The Tape‐measure design 

5.1. Advantages / Disadvantages 

This design consists in a tape with a very thin (~ 0.1mm) U‐section that is wound around an axis or drum. 

Antenna’s  deployment  is  driven  via  this  axis,  because  we  have  then  a  linear  relation  between  the revolution of this axis and the length of antenna which is already deployed. 

The best advantage of this system is that  it doesn’t need any specific mechanism to provide energy for the deployment; the potential elastic energy of this pre‐stressed antenna is sufficiant, and such passive system guarantees a good reliability. 

It is also the most compact design considered, a 2x4x4cm box is enough for one 1m25 antenna, instead of at least 20cm in one dimension for other designs. 

Nonetheless, converting a rotation move  into a  linear  translation  implies  that we need some structural mechanism to help the antenna deploying straight, which implies a surplus of mass. 

Finally,  the  fact  that  the  antenna  is  a  mobile  part  forces  us  to  find  a  way  to  set  up  the  electrical connection between this mobile part and the static support and electronics. 

  

Figure 12: CAD view of simple umbrella design 

 

Figure 13: CAD view of simple umbrella design 

19  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

5.2. Why ball bearings? 

The  first  trials of our Tape‐measure prototype showed  that  it has stable and  linear deployment at one condition: the friction which is slowing the mechanism down has to be below a very low limit value. 

If some unexpected friction appears that slows the antenna’s deployment over  limits, the only possible consequence is that the tape will show a tendency to go away from its guide and will deploy by following an easier way with less friction. 

The consequence of this phenomenon will be: 

‐ that the tape will stick to the intern side of this box, the contact surface between tape and other surfaces will be very high and the friction will increase as well; eventually it will distort and fold  

 

‐ in  the meantime,  the  central  axis  will  continue  to  rotate  until  the  antenna’s  elastic  energy  is completely  dissipated;  then,  even  if  there  is  no  more  friction,  the  antenna  will  not  deploy anymore. 

In the case of a terrestrial application, this problem could be solved easily by lubricating the main areas of frictions.  But  in  the  case  of  a  space  application,  local  soldering  phenomena  can  cause  an  unexpected additional friction which makes us unable to guarantee that this stress would stay strictly below this limit value.    

So, the only way to make sure this system will be reliable is not to try to avoid it, but to manage it. 

This is why a circle of ball bearings has been set up around the wound tape. 

Nonetheless, these ball bearings mean a surplus of masse; this is why we need to optimize the position and the quantity of these ball bearings in order to limit this surplus.  

 

   

Figure 14: The tape ( in red ) is stuck on the intern side of the box ( in white ) 

20  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

5.3. Positioning the rolls The function of these ball bearings is to guarantee the good reliability of the antenna’s deployment. 

Nonetheless, these ball bearings mean a surplus of mass that we need to limit by optimizing the positions and the quantity of rolls. The distance between each roll is the key parameter:  

‐ If too short, it means more rolls to surround a complete circle, and more mass as well. 

 

Figure 15: configuration with 9 rolls 

 ‐ if too long, there is a risk that the tape get stuck between two rolls, what must not happen. 

The quantity of rolls will be the result of a compromise between mass and reliability. 

After trials and talks with people who were working on a similar concept (project V.O.Y Sat) on a Cubesat, the number of balls needed to surround the antenna has been set at 6. 

But we just discovered at the end of this internship another work from Warsaw University dealing with similar problems too and which used only 4 rolls. 

So, this parameter is still scalable and is function of the priority between mass and reliability.  

Nonetheless,  this  circle  of  six  rolls  is  enough  to make  sure  the tape will not get  stuck during  its deployment, but we still need three more rolls to make sure that the tape will deploy exactly in the right direction and to prevent vibrations during its launch. 

At  the  first  look,  we  could  think  that  only  one  roll  would  be enough  to provide  this  function, but  the antenna’s geometry  is changing during the deployment. 

Then,  even  if one  roll  is  enough  for  some  case,  it won’t  be  for others. 

Figure 16: configuration with 4 rolls 

Figure 17: Final configuration 

21  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

We are going to deal with the three possible geometries, which are: 

 

‐ Stowed 

 

Figure 18: Scheme of exit rolls 

The tape stays in this position from the take off until the deployment and is held by rolls 1 and 2; the roll 3 is useless in this case.  

In this Stowed configuration, the function of rolls 1 and 2  is to keep the antenna in position during the flight and to prevent various vibration issues. 

   

 

       1 

 

  2                        3 

22  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

‐ During the deployment 

 

Figure 19: exit rolls during the deployment 

In this case, every roll is needed:  

‐ rolls  1  and  2  still  have  the  same  function  as when  stowed, which  is  to make  sure  the antenna will deploy in the right direction 

‐ Roll 3 is here to prevent a too big distance between rolls 1 and 4. 

   

 

       1 

 

  2                        3      4 

23  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

‐ After the deployment (final position) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Here, antenna is held by rolls 1,2 and 5. We could say that roll 1 is useless, because rolls 2 and 5 could be enough, but they are actually not. 

If you remove roll 1, the antenna would go 5 degree lower, which is not acceptable 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

       1      5 

 

  2                        3      4 

Figure 20: Exit rolls in final configuration 

24  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

5.4. Antenna’s Structure 

When the antenna is deployed, it corresponds to the case of a simple clumping. 

The antenna is then assimilated to a 1.25m beam, clumped on one end and left free on the other end. 

We can then use the Beam Theory to deduce a formula which expresses the sag of the antenna: 

𝑓 =   𝑝𝐿%

8𝐸𝐼. 

With:   f:  Antenna’s sag (m) 

  L: Antenna’s length (m) 

  E: Young Modulus 

  Iz: Second moment of Area (𝑚%) 

Unfortunately, U‐section’s curve  is  function of  the sag and the more the antenna  is bending,  the more this section is getting flat. It implies that the cross‐section of this antenna is not uniform; which forbids us to use the Beam Theory directly. 

Actually, when this section is getting flatter, a new elastic energy appears and tends to resist to the main deformation of antenna.  

Beam  Theory will  provide  pessimists  values  compared  to  reality  and  this  because  it  doesn’t  take  into account this phenomenon. 

As we haven’t any way to characterize the amount of energy provided by the flexion of this section, an half‐empirical method is needed.  

We are going to use values given by Beam Theory, but we will calibrate  these values with some actual measurements with real tape‐measure. 

This method can already give us a good approximation of  the actual  sag of antenna, because  this new elastic energy is proportional to antenna’s flexion. 

 

 

 

 

 

 

 

   

Figure 21: Normal section (Straight antenna) And curved section (Bending antenna) 

25  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

In  stowed configuration,  the antenna  is  rolled around an axis and we need to know what  the maximal curve radius is in order to set the right size of this axis. 

This curve radius is function of the kind of material used and the thickness of its section. 

So, we can express this formula:   𝑅 =   1.345   

With:  R: maximal curve radius (m) 

  E: Young modulus 

  Re: Yield Strength 

  h: Section’s thickness 

Because the U‐section allows very thin parts, this maximum curve radius is not a problem and is generally very lower than the axis’ radius. 

A Final Elements Analysis has also been run on this subject but through lack of a reliable enough software, we haven’t been able to characterize exactly the values which we were looking for. 

However,  we  have  still  been  able  to  confirm  these  values’  order  of  magnitude  and  the  respect  of associated requirements.  

 

Figure 22: Final Elements Analysis of a tape antenna. Here, the end of antenna bend less than 1cm 

 

 

   

26  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

5.5. Entire Model 

The  whole  antenna  comprises  three  dipoles  following  each  axis  (X,  Y,  Z).  Each  dipole  is  2.5m  long  or 1.25m per arm. 

This group  is placed on  the  top of a 3m boom and makes an angle with  this boom, which hasn’t been characterized yet; this is why an adjustable articulation is favored to link those two parts.  

These 3 dipoles are active antennas, it means there will be some electronics which has to be located the closest possible. These electronics box are called LNA and we need one per dipole, so three for the whole system. 

The whole system contains: 

‐ one boom ‐ one adjustable articulation ‐ three LNAs ‐ six monopole antennas of 1.25m 

According to this, several implementations are possible: 

The Common Plane 

Here, we started from a plane surface, onto which we set up room for the three LNAs. 

Antennas are fixed on this plane, so we have four antennas which are in the same plane, and the last two are going vertically, one to the top, one to the down. This means we need to set up a hole to let this last antenna go down. 

 

Figure 23: Complete common plane design 

   

27  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

Using two common axes 

In order to reduce mass, we started from the previous design and tried to optimize it. 

So we remove and reduce every possible surface, and by doing this we realized that we could go further if we used some common axes for antennas. 

Here is the result of this work: 

 

 

 

We have now two common axes, with three antennas for each. The orange box is dedicated to LNAs. 

The main structure is made in Aluminum and according to volume measurements done on this CAD model, we summed up every component’s mass in the following table. 

28  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

As we don’t know yet the weight of LNAs, boom and actuators mechanism, this table is not complete yet and cannot be compared to specifications. But estimations are still possible and seem right. The boom’s mass has been estimated to 20% of what it will support.  

We can see in the pie chart bellow that ball bearings are a main part of the total mass, this might be improved by finding some lighter rolls.  

Part  Quantity  Volume (m3) 

Density (kg/m3)  Mass (g)  Total Mass (g) 

Ensemble 1 Section 1  1  8.55E‐06  2710 ( Aluminum)  23.1705  23.1705 Ensemble 1 Section 2  1  4.02E‐06  2710  10.90233  10.90233 Ensemble 1 Section 3  1  3.95E‐06  2710  10.70924  10.7092425 Ensemble 1 Section 4  1  8.39E‐06  2710  22.74368  22.743675 Ensemble 2 Section 1  1  8.76E‐06  2710  23.7396  23.7396 Ensemble 2 Section 2  1  7.55E‐06  2710  20.46728  20.467275 Ensemble 2 Section 3  1  3.87E‐06  2710  10.49786  10.4978625 Ensemble 2 Section 4  1  8.24E‐06  2710  22.31685  22.31685 Ball Bearings  54  ‐  ‐  3  162 Small Axis  24  3.02E‐07  2710  0.817336  19.616064 Medium Axis  6  6.03E‐07  2710  1.634672  9.808032 Big Axes  8  9.05E‐07  2710  2.452008  19.616064 Support  6  3.25E‐06  1300 ( Epoxy )  4.2276  25.3656 Antennas  6  ‐  ‐  15  90 TOTAL  ‐  ‐  ‐  ‐  470.953095  

 

 

 

29  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

5.6. Actuators 

Around 15 minutes after the landing on the Moon, the antennas have to deploy autonomously. The most critical part is the activation mechanism to start the deployment.  

In other Spacecraft projects, mainly 2 different actuators have been used:   a magnetic actuator and an actuator by melting wire.  

The system has to guarantee a fixation of the antenna during the 15g accelerations of the rocket launch, vibrations and shocks. All  this has  to happen without any energy consumptions, because the  launching conditions specify the complete shutdown of the electrical system. 

 

 

5.6.1.   Magnetic actuator 

A permanent magnet is assuring the mechanical connection to a metallic part during the take off. 

 At  the  time  of  the  deployment,  an  electrical  magnet  is  switched  on  and  counteracts  the  permanent magnetic field.  

Together with the spring effect of the antenna, the metallic part will be pulled out of the initial position and the deployment starts.  

This system was already studied by a Cubesat team. They were showing that in their case a force of 3.5N was sufficient to guarantee the fixation of the antennas during the vibrations and the shocks of the take off. The counteracting force has to be 2.7N to activate the deployment. 

 

Figure 24: Magnets 

   

30  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

5.6.2.   Melting wire actuator 

Based on the strict constraints of the space and weight budget, the whole deployment system has to be kept as simple as possible.  

In addition to that, the simple systems are often more reliable in space applications. Therefore the most used actuator in Cubesat is the melting wire. A lightweight 0.15 diameter nylon wire is fixing the antennas in stowed position.  

After the landing, a current is applied through a wire, which is coiled around the nylon, to heat it up and finally  to melt  it. The optimal material  for  the heating wire  is Nichrome. This material  is well known  in hobby rocket techniques for low amperage applications. 

At the time of the deployment, no other subsystem of the Lander is activated, so we can allow ourselves to use a certain peak power. But of course the challenge is to consume the less energy possible. 

The heating behavior of the nylon wire is strongly influenced by the low pressure conditions of space. The heat can only be transmitted by conduction and not by convection. 

 

 

Figure 25: Dutch Aerospace's Thermal Knife 

 

 

 

   

31  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

5.7. Connection to Antenna 

The tape‐measure design has the disadvantage that the antenna is an entire mobile part. This implies a connection problem between this rotating part and the rest of electronics, which is static. 

An interface must be set up to ensure that the electrical connection will stay right. 

Nature of this interface will be depending on how the six tapes of the antenna system is integrated. 

Indeed, we need to have a system which is the lightest possible, and this implies an optimization of how we assemble these six tapes together. This optimization forces us to use common axis for two or three tapes, which forbids us to build tapes in these axis, because some of these tapes are rotating clockwise, and some are rotating anti‐clockwise. 

This  is why we decided to build these tapes  into a circular support, which can rotate freely around this common axis. Then, two solutions are possible: 

‐ First, we  can  set  this  interface  between  this  circular  support  and  the  common  axis  via  a  track which can keep this support where it should be. 

 Connection  would  then  go  through  the  common  axis  via  two  or  three  concentric  thickness isolated from each others, a little bit like a Jack connector. 

 Figure 2610: Concentric connectors on common axis 

   

32  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

‐ Or, this  interface can be set up below. We use then a thin and elastic metal strip which pushes directly on the antenna. This solution  is  the simplest  to build, but needs some trials because  it implies some additional friction in a place where we were trying to avoid friction. 

 Figure 27: Thin strip connector 

 

 

   

33  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

5.8. Materials 

Choosing a material is always a key parameter in a conception project and fixes a lot of variables. 

For the antenna’s material, we have two main criteria which will lead our choice. 

First, we need the sag of antenna to be the smallest possible, and then we need to remind the formula found via Beam Theory: 

𝑓 =   𝑝𝐿%

8𝐸𝐼. 

As we need the sag f to be the lowest possible, we need to find a material with the lowest density and the best Young Modulus, or the highest ratio Young Modulus / Density possible. 

 The second criteria is the maximum curve radius which has to be the smallest possible in order to be able to build the smallest axis possible. We remind here the curve radius formula: 

𝑅 =  𝐸. ℎ𝑅𝑒  So, we need here a material with the best ratio Young Modulus / Yield Strength possible. 

After some searches on materials, we finally found this graph which shows us materials function of their Young modulus and density. 

 

 

It appears then that Beryllium Alloys are the best choice possible for this antenna application. 

We looked closely on these Be‐Alloys and it appears that alloys Aluminum‐Beryllium were the best choice for this antenna; this alloy is called AlBeMet. 

Most of the Earth’s Beryllium production is located in U.S.A. and the only company which is providing it is Brush Wellman. 

34  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

After contacting this company, it appears that it is impossible for them to directly build an antenna the way we want. 

Actually, we need a 1.25m long thin antenna with a U shape section of 0.1mm thickness. 

Or, Brush Wellman can only provide parts down to 0.5mm, so we will need a subcontractor to cut this 0.5mm part further down to 0.1mm. 

Anyway, after running some trials, it appears that steel antenna can respect every requirements, then even if this not the most optimized solution, it is still the cheapest. 

So, the material choose will be first of all a question of money. 

And finally, as the whole antenna will be rolled around an axis, its surface will be in contact with itself and a surface treatment will be needed in order to avoid local soldering phenomena. 

 

 

 

 

 

   

35  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

6. New possible design 

 

After some trials with real tape‐measures, we figured out that under a limit value, the antenna will deploy right and the way the antenna is folded doesn’t matters. 

For steel Tape‐measure with a 0.15mm thickness, this limit value is around 55cm 

Here is some math explaining how this limits evolutes on the moon. 

𝑀9  =−𝑝𝐿;2  

We have 𝑀=>?>@   for 𝐿A = 55cm ou 0.55m 

      and 𝑝A= M.𝐺A = 9.81 x M 

And on the Moon, we have    𝑝C= M.𝐺C = 1.62 x M 

        𝑀=>?>@ stays constant 

Then,    #DE.FEG

; =    #DH.FHG

;  

𝐿C; =  9.811.62 𝐿A;  

𝐿C =  K6.05 𝐿A;  = 1.347𝑚 

 

And with the same tape measure, we have now a limit value at 1.347m 

It means that we can fold this antenna however we want, it will deploy the way it should on the moon. 

Such observation allows the possibility of a very simpler structure like a Jack‐in‐his‐box. 

 This structure would be very lighter than the previous design because we don’t need axes or ball bearings anymore; the antenna itself is enough and we just need a box to keep it folded during the flight, and actuators to control the deployment. 

Still, this design has an issue, which is the transition motion during deployment;  

 

 

 

36  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

Actually, the antenna contains some potential elastic energy and this energy is completely dissipated during the deployment and is converted into kinetic energy gave to the whole structure. 

This kinetic energy implied some motion of the whole structure during the deployment. These motions must be characterized and will be the main constraint in boom conception. 

Then, we have got to be careful and make sure the mass we are going to gain with this design will not force us to oversize the boom; then, what we got on one side can be lost on the other side. 

 

Figure 2811: Jack‐in‐his‐box model, Delfi‐C3 design 

 

 

 

 

 

   

37  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

7. Conclusions and Future work 

 

This internship has been a great opportunity for me to find myself confronted to constraints of a conception and design work. 

Once again, I need to thank the Radboud University for the autonomy and trust they offered me during this internship. 

This autonomy, far from the design office’s coaching allowed me to become aware of numerous issues which a project manager has to face and the importance of developing effective procedures in order to organize work, researches and to increase efficiency. 

This internship allowed me to gain a unique experience in Final Elements Method using and the constraints related to spacecraft design. 

As I am writing this report, we are still waiting for our new prototype; it will allow us to characterize the stress constraints applied by the tape, in stowed position and transitory during the deployment, on the structure and thus allow optimizing this structure’s size and thickness via FEM analysis.  

Anyway, despite pessimist values used for this design, the size and characteristics of LRX system appears to respect the specifications; and the great optimization margin which is still available allow us to be pretty optimistic about compliance with these constraints. 

These optimizations concern:  

The study of transient motions of Jack‐in‐his‐box model during his deployment in order to characterize its constraints applied on the boom. 

The optimization of structure’s thickness via FEM analysis which will need to characterize the tape’s stress applied to the structure, this value has to be measured on the prototype. 

The eventual removal of the outer surfaces of the model presented previously. 

Finally, the LRX design will have to be tested under vacuum environment and vibrations as well in order to qualify for the NEXT mission. 

 

 

 

 

   

38  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

8. References 

Simon Robert ‐ V.O.Y Sat  Jerome Wertz ‐ Conception et réalisation du système de déploiement des 

antennes du nanosatellite OUFTI‐1  AlBeMet Brush wellman  J.Santiago‐Prowald  ‐ CalTech‐KISS Large Space Apertures Workshop  Mario Greber – SwissCube Phase A – Antenna Deployment System  Marty Laurent, Ramade Camille – Projet Robusta ‐ Etude & Conception 

Antenne (CNES)  Prabhakar Subrahmanyam & Robbie Singh Sidhu ‐ Antenna Deployment 

Mechanism for Spacecraft Spartnik  S. Ananthakrishna  and J. E. S. Bergman ‐ GLOBAL ELECTROMAGNETIC 

MOON SURVEYOR  Jan E. S. Bergman, L. Åhlén, O. Stål, B. Thidé, S. Ananthakrishnan,J.‐E. 

Wahlund, R. L. Karlsson, W. Puccio,T. D. Carozzi and P. Kale – Electromagnetic Vector Information Sensor 

Jan Otterstad – Antenna system for NCube 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

39  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

 

9. Appendixes 

 

9.1. Glossary 

 

CAD    Computer Aided Design 

ESA    European Space Agency 

ESTEC    European Space Research and Technology Center 

FEM    Final Elements Method 

GTO    Geosynchronous Transfer Orbit 

LEO    Low Earth Orbit 

LNA    Low Noise Amplifier 

LOFAR    Low Frequency Array for radio astronomy 

LRX    Lunar Radio exPlorer 

NEXT    Next Exploration Science and Technology 

RU    Radboud university 

   

40  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

9.2.  Appendixes 

Material Density (kg/m3)  X (m)  Y(m)  Mass (g) 

Curve radius (cm)  Sag (m) 

Thickness (mm) 

Alu+Beryllium (AlBeMet162)  2100  0.03  0.01  6.00E+00  1.84E+00  4.92E‐03  0.06 Alu+Beryllium (AlBeMet162)  2100  0.03  0.01  7.9989  2.458598726  0.006556741  0.08 Alu+Beryllium (AlBeMet162)  2100  0.03  0.01  9.9918  3.073248408  0.008190332  0.1 Alu+Beryllium (AlBeMet162)  2100  0.03  0.01  11.9784  3.687898089  0.009818758  0.12 

Alu+Beryllium (AlBeMet162)  2100  0.02 0.00

7  4.0803  1.843949045  0.014626721  0.06 Alu+Beryllium (AlBeMet162)  2100  0.03  0.01  19.8975  6.146496815  0.016310086  0.2 Acier haute caracteristiques  7860  0.03  0.01  22.47174  0.525  0.016929045  0.06 Alu+Magnesium (Alliage 5086 )  2660  0.03  0.01  7.60494  1.121052632  0.016945426  0.06 Alu+Magnesium (Alliage 2024 )  2770  0.03  0.01  7.91943  0.73  0.01716272  0.06 Alu  2710  0.03  0.01  7.74789  2.210526316  0.017510577  0.06 Alu+Magnesium (Alliage 5005 )  2700  0.03  0.01  7.7193  1.533333333  0.017698803  0.06 Acier ordinaire  7860  0.03  0.01  22.47174  2.4  0.017775497  0.06 Magnesium  1798  0.03  0.01  5.140482  0.488836364  0.018148635  0.06 

Alu+Beryllium (AlBeMet162)  2100  0.02 0.00

7  5.4327  2.458598726  0.019474693  0.08 Acier haute caracteristiques  7860  0.03  0.01  29.93874  0.7  0.022554296  0.08 Alu+Magnesium (Alliage 5086 )  2660  0.03  0.01  10.13194  1.494736842  0.022576121  0.08 Alu+Magnesium (Alliage 2024 )  2770  0.03  0.01  10.55093  0.973333333  0.022865618  0.08 Alu  2710  0.03  0.01  10.32239  2.947368421  0.023329062  0.08 Alu+Magnesium (Alliage 5005 )  2700  0.03  0.01  10.2843  2.044444444  0.023579832  0.08 Acier ordinaire  7860  0.03  0.01  29.93874  3.2  0.023682011  0.08 Magnesium  1798  0.03  0.01  6.848582  0.651781818  0.024179136  0.08 

Alu+Beryllium (AlBeMet162)  2100  0.02 0.00

7  6.783  3.073248408  0.024315136  0.1 Cuivre‐Beryllium  8200  0.03  0.01  23.4438  0.32195122  0.028097594  0.06 Acier haute caracteristiques  7860  0.03  0.01  37.39788  0.875  0.028173626  0.1 Alu+Magnesium (Alliage 5086 )  2660  0.03  0.01  12.65628  1.868421053  0.028200888  0.1 Alu+Magnesium (Alliage 2024 )  2770  0.03  0.01  13.17966  1.216666667  0.028562512  0.1 

Alu+Beryllium (AlBeMet162)  2100  0.02 0.00

7  8.1291  3.687898089  0.029140524  0.12 Alu  2710  0.03  0.01  12.89418  3.684210526  0.029141422  0.1 Alu+Magnesium (Alliage 5005 )  2700  0.03  0.01  12.8466  2.555555556  0.029454671  0.1 Acier ordinaire  7860  0.03  0.01  37.39788  4  0.029582307  0.1 Magnesium  1798  0.03  0.01  8.554884  0.814727273  0.030203289  0.1 Acier haute caracteristiques  7860  0.03  0.01  44.83344  1.05  0.033775192  0.12 Alu+Magnesium (Alliage 5086 )  2660  0.03  0.01  15.17264  2.242105263  0.033807874  0.12 Alu+Magnesium (Alliage 2024 )  2770  0.03  0.01  15.80008  1.46  0.034241398  0.12 Alu  2710  0.03  0.01  15.45784  4.421052632  0.034935408  0.12 Alu+Magnesium (Alliage 5005 )  2700  0.03  0.01  15.4008  3.066666667  0.035310938  0.12 

41  ESA NEXT Lunar Lander ‐ payload of LRX radio antenna 

 

Acier ordinaire  7860  0.03  0.01  44.83344  4.8  0.035463952  0.12 Magnesium  1798  0.03  0.01  10.255792  0.977672727  0.036208399  0.12 Cuivre‐Beryllium  8200  0.03  0.01  31.2338  0.429268293  0.037433975  0.08 

Alu+Beryllium (AlBeMet162)  2100 0.01

5 0.00

5  2.9946  1.843949045  0.039275032  0.06 Alu+Beryllium (AlBeMet162)  2100  0.03  0.01  49.119  15.36624204  0.040263105  0.5 Cuivre‐Beryllium  8200  0.03  0.01  39.0156  0.536585366  0.046760529  0.1 

Alu+Beryllium (AlBeMet162)  2100  0.02 0.00

7  13.4841  6.146496815  0.048336684  0.2 

Acier haute caracteristiques  7860  0.02 0.00

7  15.27198  0.525  0.050313931  0.06 

Alu+Magnesium (Alliage 5086 )  2660  0.02 0.00

7  5.16838  1.121052632  0.050362617  0.06 

Alu+Magnesium (Alliage 2024 )  2770  0.02 0.00

7  5.38211  0.73  0.051008424  0.06 

Alu  2710  0.02 0.00

7  5.26553  2.210526316  0.052042272  0.06