BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ và tên : Phạm Văn Dũng
Lớp : KTHK
Khóa : 50
Viện : Cơ khí Động lực
1. Đề tài:
Kiểm bền kết cấu vệ tinh Viễn Thám loại nhỏ
2. Nội dung phần thuyết minh:
Chương 1 : GIỚI THIỆU CHUNG
Chương 2 : TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Chương 3 : TÍNH TOÁN VÀ KIỂM BỀN TĨNH CHO VỆ TINH
Chương 4 : TÍNH TOÁN VÀ KIỂM BỀN NHIỆT CHO VỆ TINH
Chương 5 : KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
3. Giáo viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Phú Khánh
4. Ngày giao nhiệmvụ :
5. Ngày hoàn thành nhiệmvụ :

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Ký, ghi rõ họ tên)
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên)
Sinh viên đã hoàn thành
(và nộp toàn bộ bản thiết kế cho khoa)
Ngày tháng năm 2010
(Ký, ghi rõ họ tên)
Đồ án tốt nghiệp
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội, Ngày……tháng……năm 2010
2
Đồ án tốt nghiệp
NHẬN XÉT CỦA GIÁO PHẢN BIỆN
Hà Nội, Ngày……tháng……năm 2010
3
Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC
MỤC LỤC 4
LỜI NÓI ĐẦU 7
CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG 9
1.1. TỔNG QUAN VỀ VỆ TINH 9
1.1.2.1 Các loại vệ tinh 10
1.1.2.2 Các loại quỹ đạo 12
1.1.2.3 Vệ tinh nhân tạo của Việt Nam 13
1.2 . DỰ ÁN VỆ TINH F-1 VÀ VAI TRÒ CỦA ĐỒ ÁN 13
1.2.1.1 . Giới thiệu 14
1.2.1.2. Yêu cầu của F-1 14
1.2.1.3. Yêu cầu tối thiểu 14
1.2.1.4. Yêu cầu thách thức 15
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 17
2.1. VẤN ĐỀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
TÍNH 17
2.2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 18
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ KIỂM BỀN TĨNH CHO VỆ TINH F-1 22
3.1. CÁC YÊU CẦU THIẾT KẾ VÀ KẾT CẤU VỆ TINH 22
3.2. PHÂN TÍCH LỰC TÁC DỤNG 26
3.3. MÔ PHỎNG KIỂM BỀN KẾT CẤU 27
4
Đồ án tốt nghiệp

Với việc tính toán kết cấu bằng phương pháp số, việc tìm đúng điều kiện
biên của bài toán để mô phỏng là hết sức quan trọng . Trong quá trình
thực hiện bài toán này , em đã phân tích và sử dụng nhiều điều kiện
biên khác nhau để tìm ra điều kiện biên tốt nhất. Tuy nhiên ở đây em
chỉ đưa ra hai điều kiện biên cho bài toán là điều kiện biên ban đầu và
điều kiện biên cuối cùng mà em cho là đúng nhất để người đọc có thể
hiểu sâu hơn về quá trình thực hiện bài toán cũng như đánh giá tính
đúng đắn của kết quả đưa ra 27
3.3.1.1. Phân tích điều kiện biên 27
3.3.1.2. Kết quả 28
3.3.2.1. Điều kiện biên 30
3.3.2.2. Kết quả 32
CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN KIỂM BỀN NHIỆT CHO VỆ TINH 35
4.1. TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN PHÂN TÍCH NHIỆT CHO VỆ
TINH F-1 35
4.1.1. Môi trường nhiệt và khả năng chịu nhiệt của vệ tinh F-1 36
4.1.1.1. Môi trường không gian 36
Trong quá trình hoạt động , các bo mạch điện tử của vệ tinh sinh ra nhiệt ,
nhiệt này vừa bức xạ , vừa dẫn nhiệt ra các phần khác . Tuy nhiên, trong đồ
án này , em bỏ qua tác dụng nhiệt từ bên trong của vệ tinh mà chỉ xét đến
các tác nhân nhiệt bên ngoài ảnh hưởng tới vệ tinh 39
4.1.1.2. Tính chất nhiệt của các vật liệu 39
Với tính chất là đồ án tốt nghiệp đại học chuyên ngành kỹ thuật hàng không
, tính chất nhiệt của vật liệu coi như người đọc đã biết nên ở đây em chỉ đưa
ra các thông số nhiệt cần thiết trong quá trình tính toán của vật liệu như sau:
39
4.1.1.3. Nội dung của bài toán kiểm bền nhiệt 39
- Với tính chất vật liệu như trên , nhiệm vụ của bài toán kiểm bền nhiệt là
phải xây dựng được phân bố nhiệt trên từng chi tiết của vệ tinh để tìm nhiệt
độ nóng nhất và lạnh nhất trên từng chi tiết đó và so sánh với giới hạn của

vật liệu để kết luận khả năng làm việc của vệ tinh 39
- Với môi trường nhiệt như phân tích ở trên và tính chất hoạt động của vệ
tinh là vừa quay quanh tâm trái đất , vừa tự quanh quanh nó trong khi trái
5
Đồ án tốt nghiệp
đất xoay quanh mặt trời , nhiệt độ tác động lên mỗi mặt của vệ tinh luôn
thay đổi theo thời gian . Tuy nhiên sự thay đổi này là rất phức tạp và phụ
thuộc vào rất nhiều biến , việc xây dựng dữ liệu nhiệt tác dụng lên từng mặt
của vệ tinh là rất khó nên trong giới hạn của đồ án này em chỉ kiểm nghiệm
độ bền tĩnh của vệ tinh tại một số vị trí quan trọng để lấy làm cơ sở cho
việc phân tích nhiệt tổng quát sau này đó là : 39
Trường hợp 1: Nhiệt độ cao nhất của vệ tinh là lớn nhất 40
Trường hợp 2: Vệ tinh nhận được nhiều nhiệt nhất từ mặt trời 40
Trường hợp 3: Vệ tinh nhận được ít nhiệt nhất từ mặt trời 40
Tại vùng tối : Trái với khi nằm ở vùng sáng , ở vùng này, vệ tinh không
nhận được bức xạ từ mặt trời cũng như bức xạ phản xạ Albedo mà chỉ nhận
được bức xạ hồng ngoại yếu ớt của trái đất . Khi nhiệt độ ngoài không gian
chỉ là 3oK ( -270oC) thì nhiệt độ trên vệ tinh sẽ rất thấp , ta phải tìm vị trí
vệ tinh có phân bố nhiệt cao nhất để có thể điều khiển vệ tinh luôn hướng
theo vị trí này để ta có thể dễ dàng sưởi ấm vệ tinh hơn . Theo đó ta cũng
xét 3 trường hợp đặc biệt của vệ tinh ở vùng này . Chúng ta sẽ hình dung rõ
hơn ở phần sau khi ta đi phân tích và mô phỏng từng trường hợp 40
4.2.TÍNH TOÁN NHIỆT CHO VỆ TINH 41
4.2.1.1. Phân tích 41
4.2.1.2. Tính toán lượng nhiệt lớn nhất tới vệ tinh 42
4.2.1.3. Kết luận 46
4.2.2.1.Phân tích 46
4.2.2.2. Tính toán 46
4.2.2.3. Kết luận 52
4.3. MÔ PHỎNG NHIỆT 52

4.3.3.1.Trường hợp vệ tinh ở vùng tối 1 (THT 1) 54
4.3.3.2.Trường hợp vệ tinh ở vùng tối 2 (THT 2) : 55
Vị trí như hình vẽ. Trong đó Mặt 3 của vệ tinh trùng với cạnh của góc nhìn
trái đất của vệ tinh 55
4.3.3.3.Trường hợp vệ tinh ở vùng tối 3 (THT 3) 57
Hình 4.15. Phân bố nhiệt THT 3 58
4.3.3.4.Trường hợp vệ tinh ở vùng sáng 1 (THS 1 ) 58
4.3.3.5.Trường hợp vệ tinh ở vùng sáng 2 (THS 2 ) 60
4.3.3.6.Trường hợp vệ tinh ở vùng sáng 3 (THS 3 ) 61
6
Đồ án tốt nghiệp
Bảng nhiệt 62
Nhận xét : Nhìn vào bảng phân bố nhiệt ta thấy, nhiệt độ trên từng bộ
phận của vệ tinh đều nằm trong miền giới hạn chịu nhiệt của vật liệu .
Như vậy trong trường hợp này , vệ tinh đủ bền về nhiệt 62
4.4.KẾT LUẬN CHO MÔ PHỎNG NHIỆT 63
CHƯƠNG 5 :KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 65
5.1. NHỮNG THÀNH QUẢ ĐỒ ÁN ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC 65
5.2 NHỮNG VẪN ĐỀ CÒN HẠN CHẾ 65
5.3. HƯỚNG NGHIÊN CỨU 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67
LỜI NÓI ĐẦU
Từ khi ra đời đến nay , các vệ tinh nhân tạo ngày càng thể hiện được vai trò quan
trọng của nó trong đời sống của con người. Mỗi khi bạn ra khỏi nhà , vệ tinh giúp bạn
tránh được những trận mưa rào , những cơn giông bão… bằng việc dự báo thời tiết , vệ
tinh giúp bạn liên lạc với tất cả mọi người ở khắp mọi nơi trên thế giới , vệ tinh giúp bạn
tìm đường đi , chuyển đến các bạn thông tin cập nhật thường ngày , vệ tinh giúp bạn
khám phá thế giới , khám phá vũ trụ , giúp các cơ quan nhà nước điều tiết giao thông và
giúp bạn bảo vệ đất nước….
Với vai trò to lớn đó của vệ tinh , là một sinh viên ngành hàng không và vũ trụ , nắm

bắt thời điểm nhóm Fspace tiến hành thiết kế vệ tinh viễn thám cỡ nhỏ và hợp tác với
trung tâm Dasi trong việc tính toán và kiểm bền kết cấu cho vệ tinh đó , em đã chọn đề tài
“ Kiểm bền kết cấu cho vệ tinh viễn thám loại nhỏ “ với hai nhiệm vụ chính :
-Kiểm bền kết cấu tĩnh cho vệ tinh , từ đó đưa ra được hệ số an toàn cho kết cấu
làm cơ sở để tối ưu hóa cấu tạo của vệ tinh
7
Đồ án tốt nghiệp
-Kiểm bền nhiệt tĩnh cho vệ tinh , từ đó đưa ra được phân bố nhiệt trên vệ tinh , lấy
đó làm cơ sở để chọn vật liệu cũng như thiết kế bộ phận ổn định nhiệt và tìm ra vị trí
thuận lợi nhất cho vệ tinh làm việc trên quỹ đạo của nó .
Theo đó , đồ án của em được chia thành 5 chương chính với những nội dung sau :
-Chương 1 : Giới thiệu chung – Giới thiệu chung về vệ tinh , nhiệm vụ và vai trò
của đồ án
-Chương 2 : Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn – Phân tích nguyên
nhân chọn phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán và giới thiệu tổng quan về
phương pháp này
-Chương 3 : Kiểm bền kết cấu tĩnh cho vệ tinh – Tìm điều kiện biên ,Tính toán
và đưa ra phân bố ứng suất trên vệ tinh từ đó kết luận độ bền kết cấu tĩnh của vệ tinh
-Chương 4 : Kiểm bền nhiệt tĩnh cho vệ tinh – Phân tích các tác nhân nhiệt , tính
toán lượng nhiệt vệ tinh nhận được sau đó mô phỏng , đưa ra phân bố nhiệt độ trên các bộ
phận của vệ tinh và kết luận độ bền nhiệt của vệ tinh
-Chương 5 : Kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo – Đánh giá những
thành quả đã đạt được cũng như những vấn đề còn chưa thể giải quyết trong đồ ann. Và
đưa ra phương hướng nghiên cứu tiếp theo
Sau một kỳ học làm việc , với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn
TS.Nguyễn Phú Khánh cùng các bạn ở trung tâm Dasi , các anh trong nhóm Fspace
em đã hoàn thành đồ án với đáp ứng đầy đủ những yêu cầu đã đặt ra.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS.Nguyễn
Phú Khánh , các bạn ở trung tâm Dasi và các anh trong nhóm Fspace đã nhiệt tình
giúp đỡ và hướng dẫn em trong quá trình làm đồ án . Với những hiểu biết còn hạn chế ,

chắc chắn đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót , kính mong các thầy cô giáo
cùng các bạn góp ý để đồ án của em hoàn thiện hơn và trở thành một tài liệu tin cậy cho
các bạn quan tâm đến vệ tinh sau này .
Em xin chân thành cảm ơn!
8
Đồ án tốt nghiệp
Hà Nội ngày 07 tháng 06 năm 2010
Tác giả
Phạm văn Dũng
CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. TỔNG QUAN VỀ VỆ TINH
1.1.1 Thế nào là vệ tinh, vệ tinh nhân tạo?
Các dữ liệu trong phần này em trích từ
Một vệ tinh là bất kỳ một vật thể nào quay quanh một vật thể khác (được coi là vật
thể chính của nó). Mọi vật thể thuộc Hệ Mặt Trời, gồm cả Trái Đất, đều là vệ tinh của
Mặt Trời, hay là vệ tinh của các vật thể đó, như trong trường hợp của Mặt Trăng.
Việc định nghĩa vật thể nào là vệ tinh không phải luôn đơn giản khi xét đến một cặp
hai vật thể. Bởi vì mọi vật thể đều có sức hút của trọng lực, chuyển động của vật thể
chính cũng bị ảnh hưởng bởi vệ tinh của nó. Nếu hai vật thể có khối lượng tương đương,
thì chúng thường được coi là một hệ đôi và không một vật thể nào bị coi là vệ tinh; một
ví dụ là tiểu hành tinh kép 90 Antiope. Tiêu chuẩn chung để một vật thể được coi là vệ
tinh là trung tâm khối lượng của hệ nằm bên trong vật thể chính.
9
Đồ án tốt nghiệp
Trong cách nói thông thường, thuật ngữ "vệ tinh" thường để chỉ một vệ tinh nhân
tạo, nó là một vật thể do con người chế tạo và bay quanh Trái Đất (hay một thiên thể
khác). Tuy nhiên, các nhà khoa học cũng có thể sử dụng thuật ngữ đó để chỉ các vệ tinh
thiên nhiên, hay các mặt trăng. Nói chung, trong cách dùng thông thường, "vệ tinh thiên
nhiên" là thuật ngữ để chỉ các mặt trăng.
1.1.2 Các vệ tinh nhân tạo

1.1.2.1 Các loại vệ tinh
Theo chức năng và nhiệm vụ , người ta chia thành các loại vệ tinh sau :
• Vệ tinh vũ trụ là các vệ tinh được dùng để quan sát các hành tinh xa xôi, các
thiên hà và các vật thể ngoài vũ trụ khác.
• Vệ tinh thông tin là các vệ tinh nhân tạo nằm trong không gian dùng cho các mục
đích viễn thông (telecommunication) sử dụng sóng radio ở tần số vi ba. Đa số các vệ tinh
truyền thông sử dụng các quỹ đạo đồng bộ hay các quỹ đạo địa tĩnh, mặc dù các hệ thống
gần đây sử dụng các vệ tinh tại quỹ đạo Trái Đất tầm thấp.
• Vệ tinh quan sát Trái Đất là các vệ tinh được thiết kế đặc biệt để quan sát Trái
Đất từ quỹ đạo, tương tự như các vệ tinh trinh sát nhưng được dùng cho các mục đích phi
quân sự như kiểm tra môi trường, thời tiết, lập bản đồ, vân vân. (Xem thêm Hệ thống
quan sát Trái Đất.)
• Vệ tinh hoa tiêu (navigation satellite) là các vệ tinh sử dụng các tín hiệu radio
được truyền đi theo đúng chu kỳ cho phép các bộ thu sóng di động trên mặt đất xác định
chính xác được vị trí của chúng. Sự quang đãng (không có vật cản) của đường truyền và
thu tín hiệu giữa vệ tinh (nguồn phát) và máy thu trên mặt đất tích hợp với những cải tiến
mới về điện tử học cho phép hệ thống vệ tinh hoa tiêu đo đạc khoảng cách với độ chính
xác khoảng một vài mét.
10
Đồ án tốt nghiệp
• Vệ tinh tiêu diệt / Vũ khí chống vệ tinh là các vệ tinh được thiết kế để tiêu diệt
các vệ tinh "đối phương", các vũ khí và các mục tiêu bay trên quỹ đạo khác. Một số vệ
tinh này được trang bị đạn động lực, một số khác sử dụng năng lượng và/hay các vũ khí
hạt nhân để phá huỷ các vệ tinh, ICBMs, MIRVs. Cả Hoa Kỳ và Liên bang Xô viết đều
có các vệ tinh này. Các đường dẫn bàn luận về các "Vệ tinh tiêu diệt", ASATS (Vệ tinh
chống vệ tinh) gồm USSR Tests ASAT weapon và ASAT Test.
• Vệ tinh trinh sát( vệ tinh viễn thám ) là những vệ tinh quan sát Trái Đất hay vệ
tinh truyền thông được triển khai cho các ứng dụng quân sự hay tình báo. Chúng ta hiện
không biết nhiều về năng lực thực sự của các vệ tinh này vì các chính phủ điều hành
chúng thường giữ tuyệt đối bí mật về thông tin cho các vệ tinh loại này.

• Vệ tinh năng lượng Mặt trời là các vệ tinh được đề xuất là sẽ bay trên quỹ đạo
Trái Đất tầm cao sử dụng cách truyền năng lượng viba để chiếu năng lượng mặt trời tới
những antenna cực lớn trên mặt đất, nơi nó có thể được dùng để thay thế cho những
nguồn năng lượng quy ước thông thường.
• Trạm vũ trụ là các cơ cấu do con người chế tạo, được thiết kế để con người sống
được trong vũ trụ. Một trạm vũ trụ được phân biệt với những tàu vũ trụ ở điểm nó không
có động cơ đầy chính hay các thiết bị hạ cánh — thay vào đó, người ta dùng các thiết bị
khác để vận chuyển lên và xuống trạm. Các trạm vũ trụ được thiết kế để có thể duy trì sự
sống trong một khoảng thời gian trung bình trên quỹ đạo, các khoảng thời gian có thể là
tuần, tháng, hay thậm chí là năm.
• Vệ tinh thời tiết là các vệ tinh có mục đích chính là để quan sát thời tiết và/hay
khí hậu của Trái Đất.
• Vệ tinh thu nhỏ là các vệ tinh có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn thông
thường. Những tiêu chí xếp hạng mới để đánh giá các vệ tinh đó: tiểu vệ tinh (500–
200 kg), vệ tinh siêu nhỏ (dưới 200 kg), vệ tinh cỡ nano (dưới 10 kg), vệ tinh cỡ pico
(dưới 1 kg) và vệ tinh cỡ femto (dưới 100 g).
11
Đồ án tốt nghiệp
• Vệ tinh sinh học là các vệ tinh có mang các tổ chức sinh vật sống, nói chung là
cho mục đích thực nghiệm khoa học.
1.1.2.2 Các loại quỹ đạo
Đa số các vệ tinh thường được mô tả đặc điểm dựa theo quỹ đạo của chúng. Mặc dù
một vệ tinh có thể bay trên một quỹ đạo ở bất kỳ độ cao nào, các vệ tinh thường được xếp
theo độ cao của chúng.
• Quỹ đạo Trái Đất tầm thấp (LEO: 200 đến 1200 km bên trên bề mặt Trái Đất)
• Quỹ đạo Trái Đất tầm trung (ICO hay MEO: 1200 đến 35286 km)
• Quỹ đạo Trái Đất đồng bộ (GEO: 35786 km bên trên bề mặt Trái Đất)
• Quỹ đạo địa tĩnh (GSO: quỹ đạo đồng bộ không nghiêng)
• Quỹ đạo Trái Đất tầm cao (HEO: trên 35786 km)
Các quỹ đạo sau là các quỹ đạo đặc biệt cũng thường được dùng để xác định đặc

điểm của vệ tinh:
• Quỹ đạo Molniya
• Quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời
• Quỹ đạo cực
• Quỹ đạo di chuyển Mặt Trăng
• Quỹ đạo di chuyển Hohmann Đối với kiểu quỹ đạo này thì vệ tinh thường là một
tàu vũ trụ
• Quỹ đạo siêu đồng bộ hay quỹ đạo trôi dạt — quỹ đạo bên trên GEO. Các vệ
tinh sẽ trôi dạt theo hướng tây.
12
Đồ án tốt nghiệp
o (GEO + 235 km + (1000 × CR × A/m) km)
o nếu CR là hệ số bức xạ áp suất của Mặt Trời (thường giữa 1.2 và 1.5) và
A/m là vùng tương quan [m²] với tỷ lệ khối lượng [kg] khô
• Quỹ đạo dưới đồng bộ hay quỹ đạo trôi dạt - quỹ đạo gần nhưng bên dưới
GEO. Được sử dụng cho các vệ tinh đang trải qua những thay đổi tình trạng ổn định theo
hướng đông.
Các vệ tinh cũng có thể quay quanh các điểm đu đưa.
1.1.2.3 Vệ tinh nhân tạo của Việt Nam
Tháng 4 năm 2008 Việt Nam đã thuê Pháp phóng thành công vệ tinh VINASAT-1
(mua của Mỹ) lên quỹ đạo địa tĩnh, với việc phóng được vệ tinh nhân tạo Việt Nam đã
tiết kiệm 10 triệu USD mỗi năm. Việt Nam là nước thứ 93 phóng vệ tinh nhân tạo và là
nước thứ sáu tại Đông Nam Á. Theo các nguồn thông tin nước ngoài, tổng trị giá của dự
án VINASAT-1 là gần 300 triệu USD, trong đó chi phí mua vệ tinh dưới 200 triệu USD,
còn lại là chi phí thuê tên lửa phóng, xây dựng trạm mặt đất, bảo hiểm…
Năm 2007, sau khi được thành lập, Viện Công nghệ Vũ trụ Việt Nam đã tiến hành
dự án chế tạo vệ tinh nhỏ pico (10x10x10cm, 1kg) với tên gọi Pico-Dragon
Năm 2008, công ty FPT thành lập phòng nghiên cứu FSpace với mục tiêu thiết kế
chế tạo vệ tinh nhỏ ,vệ tinh nano F-1 (10x10x20cm, 2kg)
1.2 . DỰ ÁN VỆ TINH F-1 VÀ VAI TRÒ CỦA ĐỒ ÁN

Đồ án được thực hiện đúng vào thời điểm dự án Pico-Dragon bước vào giai đoạn cuối
cùng của việc chế tạo và F-1 bắt đầu thiết kế mô hình thử đầu tiên , khi mà F-Space xúc
tiến việc hợp tác với Trung Tâm Dasi của Đại Học bách Khoa Hà Nội trong việc tính
toán và kiểm nghiệm khả năng làm việc của vệ tinh . Đồ án “ Kiểm bền cho vệ tinh
13
Đồ án tốt nghiệp
viễn thám loại nhỏ “ ra đời nằm trong chương trình hợp tác
đó
1.2.1. Dự án vệ tinh F-1
1.2.1.1 . Giới thiệu
Dữ liệu được lấy từ trang web chình thức của nhóm
Fspace ttp://fspace.fsoft.com.vn/
Vệ tinh nano F-1 là vệ tinh siêu nhỏ thuộc lớp
nanosatellite, có kích thước 10x10x22cm, nặng 2kg (2U cubesat) được thiết kế và chế tạo
bởi phòng nghiên cứu không gian FSpace thuộc công ty FPT Software.
F-1 là vệ tinh đầu tiên của F-Space. Mục đích chính của nhiệm vụ này là để chứng tỏ
khả năng nắm bắt và làm chủ công nghệ vũ trụ qua việc thiết kế, chế tạo vệ tinh nano và
trạm mặt đất dùng để điều khiển vệ tinh. Thành công này sẽ mở đường cho nhóm FSpace
tham gia vào những dự án vũ trụ lớn hơn của Việt Nam cũng như của thế giới. Cuối
cùng, F-Space sẽ bắt đầu thương mại hóa không gian vũ trụ phục vụ các ứng dụng trên
Trái Đất, hiện thực hóa giấc mơ "mang không gian đến gần Trái Đất hơn".
1.2.1.2. Yêu cầu của F-1
Các yêu cầu thiết kế của F-1 được phân làm 2 loại: - yêu cầu tối thiểu (minimum
success criteria): là những yêu cầu mà F-1 cần phải thỏa mãn, nếu một trong các yêu cầu
này không được hoàn thành, dự án coi như thất bại. - yêu cầu thách thức: là những yêu
cầu mở rộng, do cộng đồng đóng góp ý kiến và lựa chọn để thực thi trên cơ sở tích khả
thi, hữu dụng cũng như tính sáng tạo, đột phá.
1.2.1.3. Yêu cầu tối thiểu
Vệ tinh F-1 phải được thiết kế và chế tạo đảm bảo các yêu cầu tối thiểu dưới đây sau
khi được phân tách từ tên lửa đẩy:

 Phải tồn tại ít nhất 1 năm trên quỹ đạo dự kiến bằng việc phát tín hiệu beacon chứa
callsign của vệ tinh và các thông tin cơ bản nhất về tình trạng của vệ tinh (gồm
nhiệt độ, điện áp của các bộ phận quan trọng )
 Phải chụp được ảnh độ phân giải thấp (640 x 480 pixel) của Việt Nam từ vũ trụ và
gửi về trạm mặt đất
14
Hì
nh 1.1. Mô hình vệ tinh F-1 do nhóm
Fspace thiết kế
Đồ án tốt nghiệp
 Tốc độ truyền dữ liệu đạt 1200bps (bit/s)
1.2.1.4. Yêu cầu thách thức
Công nghệ vũ trụ rất rộng lớn, các nước khác đã đi trước Việt Nam nhiều năm và làm
chủ các công nghệ này nên mục tiêu của các yêu cầu thách thức đã được nhóm FSpace
đặt ra đối với F-1:
 Tốc độ truyền dữ liệu đạt 9600bps (bit/s)
 Chụp được ảnh của Trái đất với độ phân giải cao (50m/pixel)
 Có thể điều khiển được F-1 để chụp ảnh các vùng khác trên Trái Đất (vd chụp ảnh
Mỹ, Trung Quốc, Bắc Cực )
 Thử nghiệm khả năng chuyển đổi giữa 2 máy tính OBC (chính & phụ) để chứng tỏ
F-1 có thể hoạt động được trong trường hợp có 1 board OBC gặp sự cố bất ngờ (bị
ảnh hưởng xấu của các tia vũ trụ, thiên thạch nhỏ va phải )
 F-1 có thể chụp ảnh Trái Đất vào ban đêm.
 Cho phép mọi người gửi tên và một lời nhắn miễn phí lên vũ trụ. Như thế sẽ tăng
cường được sự quan tâm và tham gia của xã hội với vệ tinh F-1.
 Có thể thay đổi các tham số của phần mềm điều khiển vệ tinh trên quỹ đạo, khả
năng tải lên phần mềm điều khiển mới lên vệ tinh sau khi đã phóng.
 Thử nghiệm tính năng tiếp âm của vệ tinh, tức là dùng vệ tinh để trung chuyển dữ
liệu (ví dụ SMS) giữa 2 trạm mặt đất: trạm A <-> F-1 <-> trạm B. Nếu thử nghiệm
thành công thì dịch vụ này có thể được cung cấp cho các tàu cá xa bờ để liên lạc

với Việt Nam bằng SMS (tất nhiên sẽ có hiện tượng trễ tín hiệu).
 Sử dụng các camera trên F-1 chụp ảnh ngay sau khi vệ tinh rời khỏi ống phóng P-
POD. Hy vọng sẽ thu được hình ảnh của tên lửa đẩy đang cách xa dần F-1 cũng
như hình ảnh của các vệ tinh nhỏ khác bay cùng đợt với F-1 (Kodak moment)
 Điều khiển vệ tinh F-1 phát sóng bài “Tiến quân ca” 1 lần/tháng khi nó bay qua
Việt Nam. Sẽ phát sóng theo chế độ FM để cho bất cứ ai với 1 ăng ten yagi đơn
giản và 1 máy thu FM đều có thể bắt được tín hiệu và nghe được bài hát này từ
không gian. Mục đích để tăng cường ý thức của cộng đồng và khuyến khích mọi
người quan tâm hơn về radio nghiệp dư và thám hiểm vũ trụ.
 Thực hiện một thí nghiệm cần điều kiện không trọng lượng/chân không trong
nhiều tháng, và mang lại giá trị khoa học nhất định.
15
Đồ án tốt nghiệp
 Trang bị từ kế (magnetometer) để phục vụ mục đích xác định tư thế vệ tinh và
mục đích khoa học vẽ lại bản đồ từ trường Trái Đất. Để tránh nhiễu từ do các linh
kiện điện tử trên chính vệ tinh có thể phải trang bị cả magnetometer boom.
1.2.2 Nhiệm vụ và vai trò của đồ án trong dự án
Với mục tiêu cũng như tiến độ như trên của dự án , đồ án này được thực hiện với 2
nhiệm vụ chính là : Kiểm nghiệm độ bền kết cấu và tính toán nhiệt cho vệ tinh
-Kiểm nghiệm độ bền kết cấu : Tính phân bố ứng suất và biến dạng của vệ tinh
dưới tác dụng của ngoại lực tác dụng , so sánh với giới hạn bền tìm ra hệ số an toàn cho
kết cấu . Đây là hệ số rất quan trọng , nó không chỉ giúp ta đánh giá được độ bền của vệ
tinh mà còn là cơ sở để ta có thể tiết kiệm tối đa trọng lượng của kết cấu để tăng thêm các
trang thiết bị cần thiết khác cho vệ tinh như camera , các loại cảm biến …. Đồng thời
cũng làm giảm chi phí chế tạo , chi phí phóng tên lửa ( chi phí để phóng 1kg vệ tinh lên
quỹ đạo là 70.000 USD )
-Kiểm nghiệm độ bền nhiệt : Tính phân bố nhiệt trên vệ tinh để so sánh với giới
hạn chịu nhiệt của từng bộ phận của F-1 , lấy đó là cơ sở để thiết kế bộ phận điều khiển
nhiệt để đảm bảo vệ tinh hoạt động tốt trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường .
Như vậy, với hai nhiệm vụ trên , đồ án có vai trò hết sức quan trọng và có tính quyết

định đến việc thiết kế để đảm bảo cho vệ tinh có thể hoạt động tốt theo đúng yêu cầu đặt
ra .
16
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
2.1. VẤN ĐỀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH
Trong công tác thiết kế các kết cấu công trình hoặc chi tiết máy thì việc tính toán
sức bền của kết cấu chịu lực đóng vai trò quan trọng, nó chiếm khối lượng lớn về lao
động và thời gian trong toàn bộ công việc thiết kế. Kết quả tính toán càng chính xác và
đầy đủ thì không những vừa đảm bảo được các yêu cầu về độ bền, độ cứng và độ ổn định
của kết cấu và làm cho công trình hay máy móc làm việc chắc chắn và an toàn mà còn
cho phép tận dụng tối đa khả năng làm việc của vật liệu, giảm kích thước, trọng lượng và
giá thành công trình.
Trước đây việc tính toán kết cấu chịu lực được thực hiện theo các công thức kinh
nghiệm, các bảng tra lập sẵn. Đối với các kết cấu phức tạp thì sử dụng đến những phương
pháp dùng để tính toán kết cấu như phương pháp lực, phương pháp chuyển vị, phương
trình ba mômen Nhưng với sự phát triển mạnh của công nghiệp chế tạo máy, đóng tàu
nói riêng và các ngành công nghiệp khác nói chung. Với khối lượng lớn các kết cấu với
độ phức tạp hơn (kích thước kết cấu lớn, điều kiện biên, xét với không gian 3 chiều) thì
việc tính toán thiết kế theo các phương pháp trên rất khó khăn và mất rất nhiều thời gian
và công sức.
Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp tính kết cấu được bắt
đầu nghiên cứu một cách hệ thống và cơ bản từ những năm 1960. Nhưng phải đến những
năm 1980, nhờ sự tiến bộ mạnh mẽ của máy tính điện tử, phương pháp PTHH mới được
áp dụng rộng rãi và nhanh chóng chứng tỏ được ưu thế của mình đối với các ngành công
nghiệp như : Xây dựng, cầu đường, chế tạo máy, đóng tàu Với sự trợ giúp đắc lực của
máy tính và dựa trên cơ sở lý luận của phương pháp PTHH, hàng loạt các phần mềm tính
toán kết cấu ra đời như: SAP, COSMOS, NASTRAN, ANSYS, ABAQUS… mở ra một
xu hướng mới : Tự động hóa tính toán kết cấu
17

Đồ án tốt nghiệp
Trong tính toán , kiểm bền vệ tinh với dạng kết cấu phức tạp như khung siêu tĩnh,
dàn phẳng, dàn không gian thì phương pháp chủ yếu nhất hiện nay vẫn là phương pháp
lực hoặc phương pháp chuyển vị. Nói chung các phương pháp này đều gặp khó khăn khi
giải các hệ siêu tĩnh bậc lớn. Việc giải một hệ phương trình tuyến tính với số phương
trình và số ẩn rất lớn sẽ đòi hỏi nhiều thời gian và trên thực tế có thể không giải được nếu
chỉ sử dụng những phương pháp tính toán thông thường. Còn nếu như để giảm bớt ẩn số
đi thì chỉ có cách làm giảm bớt một số liên kết trong hệ hoặc phân tích hệ không gian
thành hệ phẳng. Làm như vậy kết quả nhận được sẽ không chính xác, thông thường sẽ
làm cho các giá trị tìm được như: Nội lực, ứng suất, biến dạng lớn hơn so với thực tế làm
cho kích thước cũng như trọng lượng kết cấu tăng lên, lãng phí vật liệu.
Với việc vận dụng cơ sở lý thuyết của phương pháp PTHH và tính toán kết cấu vệ
tinh sẽ khắc phục được tất cả các khó khăn, hạn chế mà các phương pháp trên mắc phải.
Phương pháp PTHH có đặc điểm cơ bản là thuật toán đơn giản, tính hệ thống cao nên rất
phù hợp với việc lập trình và giải bằng máy tính, khối lượng tính toán tuy lớn nhưng sẽ
do máy tính đảm nhiệm, việc tính toán sẽ nhanh và kết quả cũng chính xác hơn nhiều so
với các phương pháp trước đây. Một trong những lợi thế nữa của phương pháp PTHH đối
với tính toán kết cấu vệ tinh là khi cần thay đổi vị trí trạng thái vệ tinh hoặc thay đổi
phương án tải thì chỉ cần thay đổi một số nội dung của chương trình tính, còn với các
phương pháp lực chẳng hạn thì công việc tính toán gần như làm lại toàn bộ.
Hiện nay đã có khá nhiều chương trình phần mềm tính toán kết cấu đã được đưa
vào khai thác tại Việt Nam, thực tế đã áp dụng rất hiệu quả cho một số ngành. Trong đồ
án này tác giả sử dụng phần mềm ANSYS cho quá trình tính toán mô phỏng. ANSYS là
một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Trong tính toán
thiết kế cơ khí, phần mềm ANSYS có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình
hình học 2D và 3D, lấy đó làm mô hình hình học phục vụ quá trình mô phỏng: phân tích
trường ứng suất, biến dạng … của chi tiết. Nhờ đó, có thể tìm các thông số tối ưu cho
công nghệ chế tạo. ANSYS còn cung cấp phương pháp giải các bài toán cơ với nhiều
dạng mô hình vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, dẻo, dẻo nhớt,
chảy dẻo,vật liệu siêu đàn hồi, siêu dẻo, các chất lỏng và chất khí.

2.2. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
18
Đồ án tốt nghiệp
Qua phần phân tích ở trên ta thấy: các phương pháp lực hay chuyển vị đều gặp khó
khăn khi gặp các kết cấu phức tạp như hệ khung, dàn siêu tĩnh bậc cao, kết cấu tấm, vỏ
… Vì vậy ý tưởng thay kết cấu liên tục trên cơ sở rời rạc hóa, nghĩa là dùng một mô hình
rời rạc để lý tưởng hóa kết cấu thực. Trong đó, ý tưởng mô hình hóa môi trường đàn hồi
liên tục bằng một hệ tương đương gồm một số hữu hạn các miền hoặc các kết cấu con
càng nhỏ càng tốt nhưng phải hữu hạn. Các miền con hoặc kết cấu con đó gọi là các phần
tử hữu hạn, chúng có thể có dạng hình học và kích thước khác nhau, tính chất vật liệu
được giả thiết không thay đổi trong một phần tử nhưng có thể thay đổi từ phần tử này
sang phần tử khác.
Kích thước hình học và số lượng các phần tử không những phụ thuộc vào hình
dạng hình học và tính chất chịu lực của kết cấu (bài toán phẳng hay bài toán không gian,
hệ thanh hay hệ tấm vỏ …) mà còn phụ thuộc vào yêu cầu về mức độ chính xác của bài
toán đặt ra.
Các bài toán kết cấu hiện nay thường sử dụng 3 dạng phần tử chủ yếu:
- Hệ thanh (khung, dầm, giàn …) sử dụng phần tử hữu hạn một chiều –
phần tử thanh.
- Hệ tấm, vỏ sử dụng các phần tử hữu hạn 2 chiều (phần tử tam giác, tứ giác
…).
- Kết cấu là vật thể sử dụng phần tử hữu hạn 3 chiều (tam diện, tứ diện …).
Sau khi rời rạc hóa kết cấu liên tục, các phần tử hữu hạn lại được giả thiết nối với
nhau tại một số điểm qui định (thường là đỉnh mỗi phần tử) gọi là các nút. Còn toàn bộ
tập hợp các phần tử được rời rạc hóa gọi là lưới phần tử hữu hạn.
Lưới phần tử hữu hạn càng dày, nghĩa là số lượng phần tử càng lớn hay kích thước
của mỗi phần tử càng nhỏ thì mức độ chính xác của kết cấu tính toán càng cao.
Khi số lượng phần tử càng lớn thì số nút càng nhiều và số ẩn của bài toán cũng
nhiều. Thông thường với một bài toán không phức tạp lắm, nếu giải bằng phương pháp
phần tử hữu hạn thì cũng phải giải hệ phương trình chứa hàng trăm ẩn. Còn với kết cấu

phức tạp, lại đòi hỏi độ chính xác cao số ẩn có khi lên đến hàng nghìn. Điều đó cho thấy
phương pháp phần tử hữu hạn cần phải có sự trợ giúp của máy tính. Với thuật toán và
tính hệ thống cao, việc sử dụng máy tính trong việc giải hệ phương trình có nhiều ẩn số là
phù hợp và mang lại hiệu quả cao.
19
Đồ án tốt nghiệp
Một cách tổng quát, việc tính toán kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn
được thực hiện theo các bước sau:
Bước 1 – Chia kết cấu ra thành một số hữu hạn các phần tử (thanh, hai chiều, 3
chiều), mỗi phần tử liên kết với một nút xác định.
Bước 2 – Đánh số các phần tử vào các nút.
Bước 3 – Xây dựng ma trận độ cứng cho từng phần tử của kết cấu trong hệ tọa độ
địa phương.
Bước 4 – Xác định ma trận độ cứng cho từng phần tử của kết cấu trong hệ tọa độ
toàn cục.
Bước 5 – Ghép nối các ma trận độ cứng phần tử trong hệ tọa độ toàn cục để nhận
được ma trận độ cứng của cả kết cấu
[ ]
K
Bước 6 – Giải hệ phương trình cân bằng:
[ ]
{ } { }
=
K u F
(3.1)
Trong đó:
{ }
:u
Véc tơ chuyển vị nút.
{ }

:F
Véc tơ tải trọng nút.
Để được các véc tơ chuyển vị nút.
{ }
[ ]
{ }
1
−
=
u K F
(3.2)
Bước 7 - Tính ứng suất, biến dạng nhờ quan hệ:
{ }
[ ]
{ }
ε
=
B u
(3.3)
{ }
[ ]
{ }
σ ε
=
D
(3.4)
{ }
[ ] [ ]
{ }
σ

⇒ =
D B u
(3.5)
Trong đó:
20
Đồ án tốt nghiệp
{ }
:
ε
Véc tơ biến dạng.
[ ]
B
: Ma trận hình học.
[ ]
:D
Ma trận đàn hồi.
{ }
:
σ
Véc tơ ứng suất.
Bước 8 – Tính các phản lực gối tựa.
Bước 9 – Xác định nội lực.
Vì phương pháp PTHH là phương pháp tính toán rất phổ biến , chúng ta hoàn toàn có
thể tham khảo tại rất nhiều tài liệu nên trong giới hạn đồ án này em không giới thiệu
sâu về phương pháp này mà chỉ giới thiệu qua về tổng quan của nó nhằm tập trung
vào giải quyết bài toán Kiểm bền tĩnh và kiểm bền nhiệt cho vệ tinh
21
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ KIỂM BỀN TĨNH CHO VỆ TINH F-1
3.1. CÁC YÊU CẦU THIẾT KẾ VÀ KẾT CẤU VỆ TINH

các tài liệu tham khảo trong phần này do Fspace cung cấp
3.1.1.Quá trình hoạt động của vệ tinh và những nhận định cơ bản
- Nanosatellite sau khi chế tạo được đặt trong E-POD ( hình 1.1a)
- E-POD được đặt vào pay-load của tên lửa PSLV (hình 1.1b)
- Phóng tên lửa lên quỹ đạo (Hình 1.1c , 1.1d)
- Deploy vệ tinh vào không gian (hình 1.1e , 1.1f)

a) Payload b) PLSV c) Phóng tên lửa

f)quỹ đạo vệ tinh e)phóng vệ tinh khỏi payload d)quỹ đạobay của tên lửa
Hình 3.1 Quá trình hoạt động của vệ tinh
22
Đồ án tốt nghiệp
Như vậy vệ tinh sẽ phải trải qua 2 giai đoạn cơ bản có ảnh hưởng lớn đến độ bền-
tuổi thọ hay sự tồn tại của chính vệ tinh:
- Giai đoạn phóng tên lửa : vệ tinh sẽ phải chịu rung động, dao động
- Giai đoạn bay trên quỹ đạo: vệ tinh sẽ phải chịu thay đổi nhiệt theo chu kì nóng,
lạnh
Qua phân tích các giai đoạn như trên có thể thấy có 2 bài toán tính toán mô phỏng
quan trọng được đặt ra :
Bài toán 1 :Tính toán, mô phỏng độ bền cơ học của vệ tinh trong quá trình phóng
tên lửa.
- Độ bền tĩnh ( chịu các lực tác động tĩnh với giá trị lớn nhất) : tìm tần số riêng, tìm
biến dạng, ứng suất và tính độ bền lắp ghép
- Độ bền động ( gây ra do quá trình chuyển động của tên lửa sinh các dao động,
rung động…)
Bài toán 2 :Tính toán mô phỏng độ bền nhiệt nhiệt trong toàn bộ thời gian quỹ đạo
bay của vệ tinh. ( phần này sẽ được đề cập kỹ hơn ở phần sau của đồ án )
- Tính nhiệt trong trường hợp nóng : vệ tinh chịu đồng thời các nguồn nhiệt bức xạ.
Lúc này vệ tinh ở ngoài vùng sáng trong thời gian 60 phút (tính với các góc độ bức xạ

khác nhau)
- Tính nhiệt trong trường hợp lạnh: vệ tinh đi vào vùng tối kéo dài 36 phút, vệ tinh
chịu tải trọng nhiệt do bức xạ hồng ngoại của trái đất, và bức xạ truyền nhiệt của các thiết
bị bên trong vệ tinh.
- Tính toán nhiệt theo thời gian và góc độ tải trọng nhiệt thay đổi
23
Đồ án tốt nghiệp
3.1.2.Các yêu cầu tính toán để thiết kế vệ tinh
Từ những đặc điểm trên của vệ tinh , và các thông số của tên lửa đẩy , các điều kiện cụ thể
của trái đất … cùng những phân tích ban đầu , chúng ta có các yêu cầu để tính toán thiết kế F-1
như sau :
- Kết cấu của vệ tinh phải đảm bảo cho vệ tinh đủ cứng, đủ bền và đảm bảo tính tin
cậy gia công chế tạo. Vệ tinh phải chịu được các điều kiện và tác động bên ngoài: rung
động , dao động, thay đổi nhiệt độ…
- Kích thước vệ tinh: 2U (10x10x20 cm)
- Trọng lượng: khoảng 2kg
- Sai lệch khối tâm với tâm hình học: <=2cm
- Tần số riêng (source PSLV rocket):
o Phương hướng tâm: > 18Hz
o Phương dọc trục tên lửa: >40Hz
- Các dạng tại trọng phải chịu:
o Rung động
o Dao động trong ống phóng
o Tải trọng nhiệt trong quá trình bay trên quỹ đạo
o Tải trọng quán tính:
 Dọc trục tên lửa (max) 7g nén, 2,5g dãn
 Hướng tâm tên lửa (max) ±2,5g
- Vật liệu chính:
o Hợp kim nhôm T-7075 (T-6061)
o Nhựa ABS (hoặc vật liệu Polime)

- Hệ số an toàn tính tải trọng : 1.25
3.1.3.Mô hình thiết kế
Với những yêu cầu thiết kế như trên,
F-space đã thiết kế được mô hình như hình 3.2
Gồm 5 bộ phận chính với các vật liệu như sau (Hình 3.3)
24
Hình 3.2. Mô hình vệ tinh F-1
Đồ án tốt nghiệp
- Kết cấu khung : Đây là bộ phận quan trọng giúp tạo hình cũng như gắn kết các bộ
phận của vệ tinh với nhau
- Ăngten : Dùng để thu phát tín hiệu
- Pin Mặt trời : Có nhiệm vụ thu nhiệt của mặt trời vừa để chuyển hóa thành điện năng
tạo ra nguồn năng lượng điện vừa có tác dụng làm ấm vệ tinh
- Vỏ : Vừa có tác dụng bảo vệ bo mạch điện tử bên trong vừa để gắn các tấm pin mặt
trời
- Các bo mạch điện tử : Có nhiệm vụ như bộ não điều khiển mọi hoạt động của vệ tinh
25
Pin mặt
trời
Vỏ
Bo mạch
điện tử
Ăng ten
Kết cấu
khung
Hình 3.3. Các chi tiết của vệ tinh