摘要
本論文是運用各種機械相關理論科學，實際設計出一個供TUU SAT-1微衛星所使用的主體結構與接合介面，而此設計滿足TUU SAT-1的任務需求、同時滿足TUU SAT-1所擬採用發載具（太空梭-發射桶）的環境條件限制以及滿足低成本的經濟考量。
TUU SAT-1主體結構與接合介面設計時所採用的相關條件規格，主要是依據美國太空總署(NASA) 於1994所出版的Hitchhiker, Customer Accommodations & Requirements Specifications一書的要求，利用有限元素法的分析軟體(I-Deas)所研製而成。
本微衛星主體結構與接合介面設計出是一個對角直徑400 mm六角柱形、內部有三根貫穿螺桿來支撐兩片分隔板而形成三個區間，全高約432 mm、空重約10.6 kg（不含裝配螺絲等零件）、能提供TUU SAT-1裝載總重54.5 kg、最大模組塊160 mm＊88 mm＊105 mm可有9塊，外表面積4030 cm2，（已扣除組裝的螺絲面積）並依此分析出第一自然振頻高於51.6 Hz、結構降伏強度的安全係數3.1以上的性能。

目錄
摘要……………………………………………………………………………I
目錄……………………………………………………………………………II
圖表目錄………………………………………………………………………VI
第1章 緒論…………………………………………………………………1-1
1-1 微衛星簡介………………………………………………………1-1
1-2 我們的微衛星TUU SAT-1 ………………………………………1-1
1-3 研究動機與目的…………………………………………………1-2
1-4 論文架構…………………………………………………………1-2
第2章 衛星結構設計之目的………………………………………………2-1
第3章 微衛星結構設計步驟………………………………………………3-1
3-1 任務需求…………………………………………………………3-1
3-2 環境需求…………………………………………………………3-1
3-2-1 軌道環境…………………………………………………3-1
3-2-2 發射載具環境……………………………………………3-1
3-2-2-1 發射過程…………………………………………3-1
3-2-2-2 負荷區分…………………………………………3-2
3-2-2-3 各型載具的環境條件……………………………3-2
3-3 初步設計…………………………………………………………3-2
3-4 細部設計…………………………………………………………3-3
3-5 測試………………………………………………………………3-3
第4章 TUU SAT-1 的任務需求與酬載的設定……………………………4-1
4-1 TUU SAT-1 的任務………………………………………………4-1
4-2 TUU SAT-1 的子系統……………………………………………4-1
4-3 初步設計的酬載假設……………………………………………4-1
4-3-1 SUNSAT的規格……………………………………………4-1
4-3-2 MIGHTY SAT 1 的規格…………………………………4-2
4-3-3 PANSAT的規格……………………………………………4-2
4-3-4 KITSAT 2 的格…………………………………………4-2
4-3-5 我們的衛星TUU SAT-1 的設定…………………………4-2
第5章 TUU SAT-1 發射載具的選擇與其環境條件………………………5-1
5-1 發射載具…………………………………………………………5-1
5-2 Hitchhiker Ejection System ………………………………5-1
5-2-1 HES 外形…………………………………………………5-1
5-2-2 容量規格…………………………………………………5-1
5-2-3 安全係數…………………………………………………5-2
5-2-4 負荷因素…………………………………………………5-2
5-2-5 震動頻率…………………………………………………5-2
第6章 理論運用……………………………………………………………6-1
6-1 有限元素法………………………………………………………6-1
6-1-1 有限元素法的分析流程（I-Deas）……………………6-1
6-1-2 前處理流程………………………………………………6-1
6-1-3 有限元素法計算程序……………………………………6-2
6-1-4 後處理程序………………………………………………6-2
6-2 強度相關理論……………………………………………………6-2
6-2-1 屈服破壞…………………………………………………6-2
6-2-2 屈服條件…………………………………………………6-2
6-2-3 von Miss屈服條件………………………………………6-3
6-3 勁度相關理論……………………………………………………6-4
6-3-1 自然振頻…………………………………………………6-4
6-3-2 共振………………………………………………………6-4
6-3-3 勁度………………………………………………………6-5
6-4 其他理論…………………………………………………………6-5
第7章 TUU SAT-1 結構初步設計的前置規劃……………………………7-1
7-1 材料………………………………………………………………7-1
7-2 組裝架構方式……………………………………………………7-2
7-3 衛星形態設計……………………………………………………7-2
7-4 軟體運用…………………………………………………………7-2
7-5 座標系統…………………………………………………………7-2
7-6 負荷酬載假設……………………………………………………7-3
第8章 接合介面的設計與分析……………………………………………8-1
8-1 接合介面結構的設計概念………………………………………8-1
8-2 分析假設…………………………………………………………8-1
8-2-1 介面本體結構假設與模擬………………………………8-1
8-2-2 負荷假設…………………………………………………8-1
8-2-3 酬載假設與模擬…………………………………………8-1
8-2-4 邊界條件假設……………………………………………8-2
8-3 分析結果…………………………………………………………8-2
8-3-1 強度分析…………………………………………………8-2
8-3-2 勁度分析…………………………………………………8-3
8-4 結果討論…………………………………………………………8-3
8-4-1 強度部分…………………………………………………8-3
8-4-2 勁度部分…………………………………………………8-3
8-5 接合介面結構的具體設計………………………………………8-4
第9章 六角柱形微衛星主體結構之設計分析……………………………9-1
9-1 地面模擬星的誕生………………………………………………9-1
9-1-1 地面模擬星結構的概念設計……………………………9-1
9-1-2 分析假設…………………………………………………9-2
9-1-2-1 地面模擬星主體結構假設與模擬………………9-2
9-1-2-2 酬載假設與模擬…………………………………9-3
9-1-2-3 邊界條件假設……………………………………9-3
9-1-2-4 負荷假設…………………………………………9-3
9-1-3 分析結果…………………………………………………9-3
9-1-3-1 強度分析…………………………………………9-3
9-1-3-2 勁度分析…………………………………………9-4
9-1-4 結果討論…………………………………………………9-4
9-1-4-1 強度部分…………………………………………9-4
9-1-4-2 勁度部分…………………………………………9-4
9-2 六角星I 型………………………………………………………9-9
9-2-1 六角星I 型結構的設計概念……………………………9-9
9-2-2 分析假設…………………………………………………9-9
9-2-2-1 六角星I 型主體結構假設與模擬………………9-9
9-2-2-2 酬載假設與模擬 ………………………………9-10
9-2-2-3 邊界條件假設 …………………………………9-10
9-2-2-4 負荷假設 ………………………………………9-10
9-2-3 分析結果 ………………………………………………9-11
9-2-3-1 強度分析 ………………………………………9-11
9-2-3-2 勁度分析 ………………………………………9-11
9-2-3-2-1 衛星主體(無酬載負荷)的勁度……9-11
9-2-3-2-2 衛星主體(有酬載負荷)的勁度……9-11
9-2-4 結果討論 ………………………………………………9-11
9-2-4-1 強度部分 ………………………………………9-12
9-2-4-2 勁度部分 ………………………………………9-12
9-3 六角星II型 ……………………………………………………9-19
9-3-1 六角星II 型結構的設計概念…………………………9-19
9-3-2 分析假設 ………………………………………………9-19
9-3-2-1 六角星I型主體結構假設與模擬………………9-19
9-3-2-2 酬載假設與模擬 ………………………………9-19
9-3-2-3 邊界條件假設 …………………………………9-20
9-3-2-4 負荷假設 ………………………………………9-20
9-3-3 分析結果 ………………………………………………9-20
9-3-3-1 強度分析 ………………………………………9-20
9-3-3-2 勁度分析 ………………………………………9-21
9-3-3-2-1 衛星主體（無酬載負荷）的勁度…9-21
9-3-3-2-2 衛星主體(無酬載負荷)的勁度……9-21
9-3-4 結果討論 ………………………………………………9-21
9-3-4-1 強度部分 ………………………………………9-21
9-3-4-2 勁度部分 ………………………………………9-21
第10章 四角柱形微衛星主體結構之設計分析…………………………10-1
10-1 四角星I 型 …………………………………………………10-1
10-1-1 四角星I型結構的設計概念…………………………10-1
10-1-2 分析假設 ……………………………………………10-1
10-1-2-1 四角星 I 型主體結構假設與模擬…………10-1
10-1-2-2 酬載假設與模擬 ……………………………10-2
10-1-2-3 邊界條件假設 ………………………………10-2
10-1-2-4 負荷假設 ……………………………………10-2
10-1-3 分析結果 ……………………………………………10-2
10-1-3-1 強度分析 ……………………………………10-2
10-1-3-2 勁度分析 ……………………………………10-2
10-1-4 結果討論………………………………………………10-3
10-1-4-1 強度部分 ……………………………………10-3
10-1-4-2 勁度部分 ……………………………………10-3
10-2 四角星II 型…………………………………………………10-7
10-2-1 四角星II 型結構的概念設計………………………10-7
10-2-2 分析假設 ……………………………………………10-7
10-2-2-1 四角星 II 型主體結構假設與模擬 ………10-7
10-2-2-2 酬載假設與模擬 ……………………………10-7
10-2-2-3 邊界條件假設 ………………………………10-7
10-2-2-4 負荷假設 ……………………………………10-8
10-2-3 分析結果 ……………………………………………10-8
10-2-3-1 強度分析 ……………………………………10-8
10-2-3-2 勁度分析 ……………………………………10-8
10-2-4 結果討論………………………………………………10-8
10-2-4-1 強度部分 ……………………………………10-8
10-2-4-2 勁度部分 ……………………………………10-8
第11章 綜合討論與最佳設計……………………………………………11-1
第12章 結論………………………………………………………………12-1
參考文獻………………………………………………………………………IX
圖表目錄
圖 3-1 衛星發射歷程……………………………………………3-4
圖 4-1 SUNSAT衛星外觀…………………………………………4-4
圖 4-2 MIGHTY SAT 1衛星外觀…………………………………4-4
圖 4-3 PANSAT衛星外觀…………………………………………4-5
圖 4-4 KITSAT 2衛星外觀………………………………………4-5
圖 5-1 衛星發射桶………………………………………………5-3
圖 5-2 發射桶在太空梭的位置與桶架圖………………………5-4
圖 5-3 發射桶的容量規格………………………………………5-5
圖 5-4 彈射平台的規格…………………………………………5-6
圖 7-1 材料性質…………………………………………………7-4
圖 8-1 接合介面概念設計模型…………………………………8-5
圖 8-2 接合介面分析假設模型…………………………………8-5
圖 8-3 A狀況-座標圖……………………………………………8-6
圖 8-4 B狀況-座標圖……………………………………………8-6
圖 8-5 A狀況-衛星酬載模型……………………………………8-7
圖 8-6 B狀況-衛星酬載模型……………………………………8-7
圖 8-7 接合介面的邊界拘束位置………………………………8-8
圖 8-8 接合介面的邊界拘束位置………………………………8-8
圖 8-9 A狀況-接合介面的有限元素網格圖……………………8-9
圖 8-10 A狀況-接合介面應力圖-正面…………………………8-9
圖 8-11 A狀況-接合介面應力圖-側面…………………………8-9
圖 8-12 A狀況-接合介面應力圖-底面…………………………8-9
圖 8-13 B狀況-接合介面的有限元素網格圖……………………8-9
圖 8-14 B狀況-接合介面應力圖-正面…………………………8-9
圖 8-15 B狀況-接合介面應力圖-側面…………………………8-10
圖 8-16 B狀況-接合介面應力圖-底面…………………………8-10
圖 8-17 A狀況-應力前60%元素圖………………………………8-10
圖 8-18 B狀況-應力前60%元素圖………………………………8-10
圖 8-19 接合介面的前10自然振頻………………………………8-10
圖 9-1-1 美國史丹大學SAPPHIRE微衛星-外表…………………9-5
圖 9-1-2 美國史丹大學SAPPHIRE微衛星-內部…………………9-5
圖 9-1-3 TUU SAT-1地面模擬星的結構圖-外表…………………9-6
圖 9-1-4 TUU SAT-1地面模擬星的結構圖-內部…………………9-6
圖 9-1-5 地面模擬星主體結構模擬假設…………………………9-7
圖 9-1-6 地面模擬星酬載模擬假設………………………………9-7
圖 9-1-7 地面模擬星重心坐標位置模擬圖………………………9-7
圖 9-1-8 地面模擬星應力圖-正面…………………………………9-8
圖 9-1-9 地面模擬星應力圖-底面…………………………………9-8
圖 9-1-10 地面模擬星應力圖-正底面………………………………9-8
圖 9-1-11 地面模擬星前50%應力圖…………………………………9-8
圖 9-1-12 地面模擬星-第一自然振頻………………………………9-8
圖 9-1-13 地面模擬星-前10項振頻…………………………………9-8
圖 9-2-1 六角星I型結構假設-三根貫穿柱………………………9-13
圖 9-2-2 六角星I型主體結構假設…………………………………9-13
圖 9-2-3 六角星I型酬載假設-單一格層…………………………9-14
圖 9-2-4 六角星I型酬載假設-全酬載……………………………9-14
圖 9-2-5 六角星I型假設模擬與重心位置…………………………9-15
圖 9-2-6 六角星I型邊界拘束假設…………………………………9-15
圖 9-2-7 A狀況-六角星I型應力圖-正面…………………………9-16
圖 9-2-8 A狀況-六角星I型應力圖-側面…………………………9-16
圖 9-2-9 A狀況-六角星I型應力圖-底面…………………………9-16
圖 9-2-10 B狀況-六角星I型應力圖-正面…………………………9-16
圖 9-2-11 B狀況-六角星I型應力圖-側面…………………………9-16
圖 9-2-12 B狀況-六角星I型應力圖-底面…………………………9-16
圖 9-2-13 A狀況-六角星I型前60%應力圖…………………………9-17
圖 9-2-14 B狀況-六角星I型前60%應力圖…………………………9-17
圖 9-2-15 六角星I型三根貫穿桿的應力圖………………………9-17
圖 9-2-16 六角星I型接合介面的應力圖…………………………9-17
圖 9-2-17 六角星I型-無酬載-第一自然振頻……………………9-18
圖 9-2-18 六角星I型-無酬載-前10項自然振頻…………………9-18
圖 9-2-19 六角星I型-有酬載-第一自然振頻……………………9-18
圖 9-2-20 六角星I型-有酬載-前10項自然振頻…………………9-18
圖 9-3-1 六角星II型主體結構假設………………………………9-22
圖 9-3-2 六角星II型酬載假設-單一格層………………………9-22
圖 9-3-3 六角星II型中心處酬載模擬塊…………………………9-23
圖 9-3-4 六角星II型結構模擬假設-全酬載……………………9-23
圖 9-3-5 六角星II型結構假設模擬與重心位置…………………9-24
圖 9-3-6 六角星II型有限元素網格………………………………9-24
圖 9-3-7 六角星II型應力圖-正面………………………………9-25
圖 9-3-8 六角星II型應力圖-底面………………………………9-25
圖 9-3-9 六角星II型應力圖-主體的最底層……………………9-25
圖 9-3-10 六角星II型前50%應力圖………………………………9-25
圖 9-3-11 六角星II型-無酬載-第一自然振頻……………………9-26
圖 9-3-12 六角星II型-無酬載-前10項自然振頻…………………9-26
圖 9-3-13 六角星II型-有酬載-第一自然振頻……………………9-26
圖 9-3-14 六角星II型-有酬載-前10項自然振頻…………………9-26
圖 10-1-1 四角星I型主體結構假設………………………………10-4
圖 10-1-2 四角星I型單層酬載假設………………………………10-4
圖 10-1-3 四角星I型結構假設模擬重心位置……………………10-5
圖 10-1-4 四角星I型邊界拘束位置與有限元素網格……………10-5
圖 10-1-5 四角星I型應力圖-正面…………………………………10-6
圖 10-1-6 四角星I型應力圖-底面…………………………………10-6
圖 10-1-7 四角星I型前50%應力圖-全衛星圖……………………10-6
圖 10-1-8 四角星I型前50%應力圖-接合介面……………………10-6
圖 10-1-9 四角星I型-第一自然振頻……………………………10-6
圖 10-1-10 四角星I型-前10項自然振頻…………………………10-6
圖 10-2-1 四角星II型主體結構假設……………………………10-9
圖 10-2-2 四角星II型單層酬載假設……………………………10-9
圖 10-2-3 四角星II型結構假設模擬與重心位置………………10-10
圖 10-2-4 四角星II型邊界拘束假設與有限元素網格…………10-10
圖 10-2-5 四角星II型應力圖-正面………………………………10-11
圖 10-2-6 四角星II型應力圖-底面………………………………10-11
圖 10-2-7 四角星II型前50%應力圖-全衛星……………………10-11
圖 10-2-8 四角星II型前50%應力圖-接合介面…………………10-11
圖 10-2-9 四角星II型-第一自然振頻……………………………10-11
圖 10-2-10 四角星II型-前10項自然振頻…………………………10-11
圖 11-1 TUU SAT-1微衛星最佳主體結構………………………11-6
圖 11-2 TUU SAT-1微衛星最佳結構之單層酬載塊……………11-6
圖 11-3 TUU SAT-1微衛星最佳結構設計模擬與重心位置……11-6
圖 11-4 TUU SAT-1微衛星最佳結構應力圖……………………11-7
圖 11-5 TUU SAT-1微衛星最佳結構的前50％應力圖…………11-7
圖 11-6 TUU SAT-1微衛星最佳結構模型第一振頻-無酬載……10-8
圖 11-7 TUU SAT-1微衛星最佳結構前10項振頻-無酬載………11-8
圖 11-8 TUU SAT-1微衛星最佳結構模型第一振頻-有酬載……10-8
圖 11-9 TUU SAT-1微衛星最佳結構前10項振頻-有酬載………11-8
圖 11-10 TUU SAT-1微衛星最佳結構模型-外形…………………11-9
圖 11-11 TUU SAT-1微衛星最佳結構模型-內部…………………11-9
圖 11-12 TUU SAT-1微衛星最佳結構之接合用角形片…………11-10
圖 11-13 TUU SAT-1微衛星的接合介面…………………………11-10

參考資料
[1] http://www.ee.surrey.ac.uk/EE/CSER/UOSAT/SSHP,
[2] Steven J. Isakowitz, International Reference Guide to Space Launch Systems, AIAA, 1991 Ed, p25,p44,p45,p215,p260,p279.
[3] 衛星環境工程和模擬試驗(下),宇航出版社,1996,p1~3.
[4] Hitchhiker’ Customer Accommodations & Requirements Specifications, 1994, NASA Goddard Space Flight Center.
[5] Get Away Special’ Small Self-Contained Payload’ Experimenter Handbook, 1995, NASA Goddard Space Flight Center, p27.
[6] 陳正宗、林信立等, 有限元素分析與工程實例, 北門出版社.
[7] 機械設計手冊1, 建宏出版設, p4-45~77, p6-20~23, p6-109~118.
[8] 徐秉業、劉信聲, 應用彈塑性力學, 凡異出版社, p88~125.
[9] 徐秉業、劉信聲、黃炎、孫學偉, 彈性力學與塑性力學, 亞東書局, P559~566.
[10] 王柏村, 振動學, 全華科技圖書, p7-22~52.
[11] Leonard Meirovitch, Computational Methods in Structural Dynamics, 北門出版社, 1985.
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[13] Peter Fortescue, John Stark, Spacecraft Systems Engineering, 2 Ed, p238~244.
[14] 彭光代,〝自旋穩定與重力梯度穩定對微衛星溫度分佈之分析〞, 國立中央大學機械工程研究所碩士論文,1997.