Design conceptuel d'un incubateur pour un nanosatellite en combinant la conception axiomatique et un index unifié de performance mécatronique (MMP)

RESUMÉ La société technique PolyOrbite de l'École Polytechnique de Montréal entreprend de concevoir un nanosatellite ayant une taille de 30cm*10cm*10cm et un poids de 4 kg, appelé ORU-S. Le lancement du satellite est prévu pour 2020 avec deux charges utiles indépendantes dont un incubateur miniaturisé. Le but de l'incubateur est de mener une expérience botanique dans l'espace afin d'étudier l'effet de la microgravité sur la croissance de la plante comestible Medicago truncatula. Depuis les années 90, les plateformes de nanosatellites ont pris de l'essor, mais les travaux de recherche effectués dans le domaine des serres miniaturisées et de la botanique spatiale restent limités. À ce jour, aucun projet n'a réussi à faire croître une plante comestible dans un nanosatellite. Ce mémoire de maîtrise présente le design conceptuel d'un incubateur miniaturisé. Cet incubateur est un laboratoire in situ qui permet la germination d'une plante en suivant et contrôlant les paramètres environnementaux pour fins de recherche scientifique. Après la validation du cahier des charges, un design conceptuel est réalisé avec plusieurs concepts potentiels en appliquant la Conception Axiomatique. En outre, à cause de la multidisciplinarité du problème de design, la détermination du « meilleur concept » est effectuée en appliquant le Profil Multicritère Mécatronique (MMP) développé par l'équipe du Prof. Achiche. La solution présentée, dans ce mémoire, est un incubateur pressurisé composé de quatre sous-systèmes : système de culture, système de contrôle de température, système d'approvisionnement et système d'inspection. Les trois premiers systèmes fournissent les conditions nécessaires à culture, soient une source d'illumination, une température convenable et une quantité satisfaisante de solutions nutritives qui permettent la croissance de la plante. Alors que le système d'inspection, il assure l'obtention et l'enregistrement des données pour les tâches de contrôle pour supporter la recherche scientifique dans ce domaine. Les travaux futurs se concentreront sur l'approfondissement de la conception optimale en utilisant des fonctions spécifiques pour résoudre des problèmes comme la gestion d'espace. Mener une expérience terrestre dans un prototype basant sur la conception sera aussi intéressant afin de vérifier la fonctionnalité du design.

Abstract

The technical association PolyOrbite of École Polytechnique de Montréal is developing a nanosatellite with a size of 30cm*10cm*10cm and a weight of 4 kg, called ORU-S. This satellite will launch in 2020 with two independent payloads including a miniaturized incubator which is considered to conduct a botanical experiment in space to study the effect of microgravity on the growth of the plant Medicago truncatula. Despite the growth in popularity of the CubeSat platform from 1990, research in the areas of miniaturized greenhouses and astrobotany has been very limited. It seems that no project has made to grow a plant in space in a nanosatellite. So, this thesis presents a conceptual design of the miniaturized incubator being an in-situ laboratory that allows germination of the plant by monitoring and controlling the environmental parameters for scientific research. After the validation of the requirements specification, we implemented a preliminary design with several potential concepts by applying Axiomatic Design. In addition, because of the multidisciplinarity of the design problem, the determination of the "best concept" is carried out by applying the Multi-criteria Mechatronics Profile developed in the laboratory of Prof. Achiche. The solution presented in this thesis is a pressurized incubator consisting of four subsystems: cultivation, temperature control, supply, and inspection systems. The first three systems provide the necessary conditions for the plant: a source of illumination, a suitable temperature, and a satisfactory amount of nutrient solutions that allow the growth of the plant. As for the inspection system, it ensures data collection for control and scientific research. Future work will deepen the design using specific functions to solve problems such as space and layout management. Conducting a ground experience in a prototype based on the design will also be interesting to verify the functionality of the developed design.