Analytical Review of the Common Failures of Satellite Structures: Causes, Effects, and Mitigation Strategies


Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

Satellite structures are subjected to extreme conditions throughout their operational lifespan, including high launch loads, thermal cycling, and space debris impacts, making them vulnerable to structural failures. Understanding the causes, effects, and mitigation strategies for such failures is crucial for enhancing satellite reliability and mission success. This review critically examines the common structural failures in satellites, categorizing them by affected components such as primary frames, joints, thermal shielding, and deployable mechanisms. The study employs a comprehensive analysis of historical and recent failures, integrating insights from case studies, experimental research, and advancements in materials science and structural health monitoring. The findings highlight key failure mechanisms, including material fatigue, vibrational stresses, and thermal degradation, and assess innovative solutions such as smart materials and in-orbit repair techniques. By synthesizing current research and industry practices, this review provides a systematic understanding of failure trends and proposes future directions for improving satellite structural resilience. The insights presented in this study aim to support the development of more robust satellite architectures, ultimately contributing to safer and more reliable space missions.

Авторлар туралы

Kazem Reza Kashyzadeh

RUDN University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: reza-kashi-zade-ka@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-0552-9950

Ph.D. in Technical Sciences, Professor of the Department of Transport Equipment and Technology, Academy of Engineering

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Sergei Kupreev

RUDN University

Email: kupreev-sa@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-8657-2282
SPIN-код: 2287-2902

Doctor of Sciences (Techn.), Professor of the Department of Mechanics and Control Processes, Academy of Engineering

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Oleg Samusenko

RUDN University

Email: samusenko@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-8350-9384
SPIN-код: 6613-5152

Ph.D of Technical Sciences, Head of the Department of Innovation Management in Industries, Academy of Engineering

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Әдебиет тізімі

  1. Gu X, Tong X. Overview of China Earth Observation Satellite Programs. IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine. 2015;3(3):113-129. https://doi.org/10.1109/MGRS.2015.2467172
  2. Maddock CA, Ricciardi LA, West M, West J, Kontis K, Rengarajan S, Evans DJA, Milne A, McIntyre S. Conceptual design analysis for a two-stage-to-orbit semi-reusable launch system for small satellites. Acta Astronautica. 2018;152:782-792. https://doi.org/10.1016/J.ACTAASTRO.2018.08.021
  3. Thaheer ASM, Ismail NA, Amir MHH, Razak NA. Static and dynamic analysis of different MYSat frame structure. Journal of Mechanical Engineering and Sciences. 2024;10261-10278. http://doi.org/10.15282/jmes.18.4.2024.4.0810
  4. Abdelal GF, Abuelfoutouh N, Gad AH. Finite ele-ment analysis for satellite structures: applications to their design, manufacture and testing. London: Springer Publ; 2013. http://doi.org/10.1007/978-1-4471-4637-7
  5. Perez R. Introduction to satellite systems and per-sonal wireless communications. Wireless communications design handbook. 1998;1:1-30. ISBN: 9780123995957
  6. Warnakulasuriya HS. Vibration Analysis and Testing of a Satellite Structure during it’s Launch and In-flight Stages. Doctoral dissertation, Politecnico di Torino. 2021. Available from: https://webthesis.biblio.polito.it/20111/ (accessed: 10.12.2024).
  7. Jha R, Pausley M, Ahmadi G. Optimal active control of launch vibrations of space structures. Journal of spacecraft and rockets. 2003;40(6):868-874. https://doi.org/10.2514/2.7051
  8. Ando S, Shi Q. Prediction of Acoustically Induced Random Vibration Response of Satellite Equipments with Proposed Asymptotic Apparent Mass. Journal of Space Engineering. 2008;1(1):12-21. https://doi.org/10.1299/spacee.1.12
  9. Doyle D, Zagrai A, Arritt B, Cakan H. Damage detection in satellite bolted joints. Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems. 2008;43321:209-218. https://doi.org/10.1115/SMASIS2008-550
  10. Doyle D, Zagrai A, Arritt B, Çakan H. Damage detection in bolted space structures. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2010;21(3):251-264. https://doi.org/10.1177/1045389X09354785
  11. Kumar Y. The Environmental and EMI Testing for Satellites. Space Navigators. 2023. Available from: https://www.spacenavigators.com/post/the-environmentaland-emi-testing-for-satellites (accessed: 10.12.2024).
  12. Asdaghpour F, Sadeghikia F, Farsi MA. Thermal Effects of the Space Environment on the Radiation Characteristics of a Reflector Antenna in LEO Satellite. Journal of Space Science and Technology. 2022;15(2):103-113. EDN: PGPIGY
  13. Esha N, Hausmann J. Material Characterization Required for Designing Satellites from Fiber-Reinforced Polymers. Journal of Composites Science. 2023;7(12):515. https://doi.org/10.3390/jcs7120515 EDN: XRUMIJ
  14. Naebe M, Abolhasani MM, Khayyam H, Amini A, Fox B. Crack damage in polymers and composites: a review. Polymer Reviews. 2016;56(1):31-69. https://doi.org/10.1080/15583724.2015.1078352
  15. Grossman E, Gouzman I. Space environment effects on polymers in low earth orbit. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2003;208:48-57. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(03)00640-2 EDN: KIRTZF
  16. Li J, Yan S, Cai R. Thermal analysis of composite solar array subjected to space heat flux. Aerospace Science and Technology. 2013;27(1):84-94. https://doi.org/10.1016/j.ast.2012.06.010
  17. Teichman LA. NASA/SDIO Space Environmental Effects on Materials Workshop: part 1. National aeronautics and space administration hampton va langley research center. Defense Technical Information Center. 1989. Available from: https://archive.org/details/DTIC_ADA351614 (accessed: 10.12.2024).
  18. Toto E, Lambertini L, Laurenzi S, Santonicola MG. Recent Advances and Challenges in Polymer-Based Materials for Space Radiation Shielding. Polymers. 2024;16(3):382. https://doi.org/10.3390/polym16030382 EDN: OVVUUM
  19. Lopez-Calle I, Franco AI. Comparison of cubesat and microsat catastrophic failures in function of radiation and debris impact risk. Scientific Reports. 2023;13(1):385. https://doi.org/10.1038/s41598-022-27327-z EDN: EGSBHE
  20. Bedingfield KL, Leach RD. Spacecraft system failures and anomalies attributed to the natural space environment. National Aeronautics and Space Administration, Marshall Space Flight Center. 1996. Available from: https:// archive.org/details/NASA_NTRS_Archive_19960050463 (accessed: 10.12.2024).
  21. de Groh KK, Banks BA, Miller SKR, Dever JA. Degradation of spacecraft materials. In: Handbook of Environmental Degradation of Materials. 2018:601-645. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-52472-8.00029-0
  22. Dever J, Banks B, de Groh K, Miller S. Degradation of spacecraft materials. In: Handbook of environmental degradation of materials. 2005:465-501. https://doi.org/10.1016/B978-081551500-5.50025-2 EDN: YYRJPZ
  23. Drolshagen G. Impact effects from small size meteoroids and space debris. Advances in space Research. 2008;41(7):1123-1131. https://doi.org/10.1016/j.asr.2007.09.007
  24. Xiong L, Chuang AC, Thomas J, Prost T, White E, Anderson I, Singh D. Defect and satellite characteristics of additive manufacturing metal powders. Advanced Powder Technology. 2022;33(3):103486. https://doi.org/10.1016/j.apt.2022.103486 EDN: SKXKYQ
  25. Arsic M, Aleksic V, Andelkovic Z. Theoretical and experimental analysis of welded structure supporting satellite planetary gear. Structural Integrity and Life-Integritet I Vek Konstrukcija. 2007;7(1):5-12. Available from: http://divk.inovacionicentar.rs/ivk/pdf/005-IVK1-2007-MA-VA-ZA.pdf (accessed: 10.12.2024).
  26. Reda R, Ahmed Y, Magdy I, Nabil H, Khamis M, Refaey A, et al. Basic principles and mechanical considerations of satellites: a short review. Transactions of the Institute of Aviation. 2023;272(3):40-54. https://doi.org/10.2478/tar-2023-0016 EDN: RZFYAO
  27. Lee K, Han S, Hong JW. Post-buckling analysis of space frames using concept of hybrid arc-length methods. International Journal of Non-Linear Mechanics. 2014;58:76-88. https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2013.09.003
  28. Goto A, Yukumatsu K, Tsuchiya Y, Miyazaki E, Kimoto, Y. Changes in optical properties of polymeric materials due to atomic oxygen in very low Earth orbit. Acta Astronautica. 2023;212:70-83. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.07.036 EDN: UVJUGP
  29. Banks BA, Miller SKR, de Groh KK, Demko R. Atomic oxygen effects on spacecraft materials. In: Ninth International Symposium on Materials in a Space Environ-ment (No. NASA/TM-2003-212484). 2003. Available from: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20030062195/down loads/20030062195.pdf (accessed: 10.12.2024).
  30. Allegri G, Corradi S, Marchetti M, Milinchuck V. Atomic oxygen degradation of polymeric thin films in low Earth orbit. AIAA Journal. 2003;41(8):1525-1534. https://doi.org/10.2514/2.2103 EDN: LIBZWH
  31. Wnuk MP. Structural integrity of bonded joints. Physical Mesomechanics. 2020;13(5-6):255-267. https://doi.org/10.1016/j.physme.2010.11.006 EDN: XZJCKO
  32. Bhandari P. Effective Solar Absorptance of Multilayer Insulation. SAE International Journal of Aerospace. 2009; 4(1):210-218. http://doi.org/10.4271/2009-01-2392
  33. Tachikawa S, Nagano H, Ohnishi A, Nagasaka Y. Advanced passive thermal control materials and devices for spacecraft: a review. International Journal of Thermo-physics. 2022;43(6):91. http://doi.org/10.1007/s10765-022-03010-3
  34. Van Wagenen R. The ISS Engineering Feat: Solar Array Repair. ISS National Laboratory Center for the Advancement of Science in Space. 2020. Available from: https://issnationallab.org/education/the-iss-engineering-feat-solar-array-repair (accessed: 10.12.2024).
  35. Tredway WK, McCluskey PH, Prewo KM. Carbon fiber reinforced glass matrix composites for satellite applications. Contract N00014-89-C-0046. 1992;14(89-C):0046. Available from: https://archive.org/details/DTIC_ADA2 53018 (accessed: 10.12.2024).
  36. El-Hameed AM. Radiation effects on composite materials used in space systems: a review. NRIAG Journal of Astronomy and Geophysics. 2022;11(1):313-324. https://doi.org/10.1080/20909977.2022.2079902 EDN: XRARLO
  37. Toto E, Lambertini L, Laurenzi S, Santonicola MG. Recent Advances and Challenges in Polymer-Based Materials for Space Radiation Shielding. Polymers. 2024;16(3):382. https://doi.org/10.3390/polym16030382 EDN: OVVUUM
  38. Taylor EW, Nichter JE, Nash F, Hash F, Szep AA, Michalak RJ, et al. Radiation-resistant polymer-based photonics for space applications. In: Photonics for Space Environments IX. 2004;5554:15-22. http://doi.org/10.1117/12.556659
  39. Yu Z, Ren Z, Tao J, Chen X. A reliability assessment method based on an accelerated testing under thermal cycling environment. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part O: Journal of Risk and Reliability. 2014; 229(2):97-104. https://doi.org/10.1177/1748006X14558132
  40. Kashyzadeh KR, Farrahi GH, Shariyat M, Ahmadian MT. Experimental accuracy assessment of various high-cycle fatigue criteria for a critical component with a complicated geometry and multi-input random non-proportional 3D stress components. Engineering Failure Ana-lysis. 2018;90:534-553. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2018.03.033
  41. Abdollahnia H, Elizei AMH, Kashyzadeh KR. Multiaxial fatigue life assessment of integral concrete bridge with a real-scale and complicated geometry due to the simultaneous effects of temperature variations and sea waves clash. Journal of Marine Science and Engineering. 2021;9(12):1433. https://doi.org/10.3390/jmse9121433 EDN: MPPSSO
  42. Kashyzadeh KR. Effects of axial and multiaxial variable amplitude loading conditions on the fatigue life assessment of automotive steering knuckle. Journal of Failure Analysis and Prevention. 2020;20(2):455-463. https://doi.org/10.1007/s11668-020-00841-w EDN: JNNWPQ
  43. Kashyzadeh KR, Souri K, Bayat AG, Jabalba-rez RS, Ahmad M. Fatigue life analysis of automotive cast iron knuckle under constant and variable amplitude loading conditions. Applied Mechanics. 2022;3(2):517-532. https://doi.org/10.3390/applmech3020030 EDN: FTQZWL
  44. Kashyzadeh KR. Failure Strength of Automotive Steering Knuckle Made of Metal Matrix Composite. Applied Mechanics. 2023;4(1):210-229. https://doi.org/10.3390/applmech4010012 EDN: JXAPJY
  45. Hermansa M, Kozielski M, Michalak M, Szczyrba K, Wróbel Ł, Sikora M. Sensor-based predictive maintenance with reduction of false alarms - A case study in heavy industry. Sensors. 2021;22(1):226. https://doi.org/10.3390/s22010226 EDN: XCJJHK
  46. Kaiser KA, Gebraeel NZ. Predictive maintenance management using sensor-based degradation models. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics-Part A: Systems and Humans. 2009;39(4):840-849. https://doi.org/10.1109/TSMCA.2009.2016429

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».