The investment of space commerce is skyrocketing and it is predicted to be a nascent business in the future. The spacecraft demand has been growing not only for NASA and other space agency’s mission but also collaboration business between small space industries, academia, and scientific community. This glimpse brought an interest to a new investor, government, military, and manufacturing company to deliver their objectives efficiently. Nowadays, many startups compete embracing innovation and pioneering the novelty of space project beyond prodigious vision in an unprecedented way. Many players foresee that decreasing size of the rocket is an important key to survive and succeed in the space business. One of the efficient acts is lowering the launch cost. This can be achieved by designing a small size, lightweight and affordable spacecraft. Within this context, a Beyond Atlas Spacecraft which will be sent to Asteroid 2016-HO3, has achieved a wet mass of 20.85 kg with the size of 24.7 x 42.2 x 40.8 cm in stowed mode and 84 x 399 x 40.8 cm in unstowed mode. However, the drawback being light and small may lead to catastrophic failure due to resonance frequency events. According to past experience, the gyro of the Swedish national satellite was damaged during ground testing and it was suspected due to high amplification when the natural frequency coincides to the main structure resonance. Therefore, this work is focusing on a spacecraft development and a non-destructive structural analysis. The coupled-load analysis of a preliminary spacecraft design including sinusoidal, random vibration and shock analysis are calculated using FEM. This effort can reduce the risk of component destruction before laboratory testing as well as understand better the dynamic behavior of the spacecraft. The critical frequency in each orthogonal axis with base input from launch environment of the LM-3A Launch Vehicle was devised. The maximum stress, amplitude, and acceleration in accordance of qualification test criteria were evaluated and discussed. / Investeringen av rymdhandeln är skyrocketing och det förväntas bli en växande verksamhet i framtiden. Efterfrågan på rymdfarkoster har ökat inte bara för NASA och andra rymdorganisationens uppdrag utan även samarbete mellan små rymdindustrier, akademin och det vetenskapliga samfundet. Denna glimt väckte intresse för en ny investerare, regering, militär och tillverkningsföretag för att effektivt kunna leverera sina mål. Idag konkurrerar många startups om att omfatta innovation och banbrytande rymdprojektets nyhet bortom en fördärvad vision på ett aldrig tidigare skådat sätt. Många spelare förutser att minskad storlek på raketen är en viktig nyckel för att överleva och lyckas i rymdverksamheten. En av de effektiva handlingarna sänker lanseringskostnaden. Detta kan uppnås genom att utforma en liten storlek, lätt och prisvärd rymdfarkost. Inom detta sammanhang har en Beyond Atlas Spacecraft som skickas till Asteroid 2016-HO3, uppnått en våt massa på 20,85 kg med storleken 24,7 x 42,2 x 40,8 cm i stuvningsläge och 84 x 399 x 40,8 cm i ostoppat läge. Nackdelen som är ljus och liten kan emellertid leda till katastrofalt fel på grund av resonansfrekvenshändelser. Enligt tidigare erfarenhet skadades gyroen i den svenska nationella satelliten under marktestning och det misstänktes på grund av hög förstärkning när den naturliga frekvensen sammanföll med huvudstrukturen resonans. Därför fokuserar detta arbete på rymdskeppsutveckling och en icke-destruktiv strukturanalys. Den kombinerade belastningsanalysen av en preliminär rymdfarkostkonstruktion inklusive sinusformad, slumpvibration och chockanalys beräknas med användning av FEM. Denna insats kan minska risken för komponent förstörelse före laboratorietestning samt förstå bättre rymdskeppets dynamiska beteende. Den kritiska frekvensen i varje ortogonal axel med basinmatning från startmiljön för LM-3A-startkärlet utformades. Den maximala spänningen, amplituden och accelerationen i enlighet med kvalifikationstestkriterierna utvärderades och diskuterades.

This report summarizes the work conducted during a six-month internship at Lawrence Berkeley National Laboratory. The main objective was to implement the interactions between particles and surfaces in the particle-in-cell code WarpX. This work specifically addressed the scenario where particles collide with embedded surfaces, which can potentially result in the emission of secondary particles. The implementation represents a significant advancement in the development of WarpX, enabling users to include interactions such as secondary particle emission and reflection in their simulations. Furthermore, this work also offered initial insights into the spacecraft charging problem and other scenarios involving particle-surface interactions. / Denna rapport sammanfattar det arbete som utförts under en sex månader lång praktikperiod vid Lawrence Berkeley National Laboratory. Huvudsyftet var att implementera interaktionen mellan partiklar och ytor i partikel-i-cell-koden WarpX. Detta arbete behandlade specifikt scenariot där partiklar kolliderar med inbäddade ytor, vilket potentiellt kan leda till utsläpp av sekundära partiklar. Implementeringen utgör ett betydande framsteg i utvecklingen av WarpX, vilket gör det möjligt för användare att inkludera interaktioner som emission och reflektion av sekundära partiklar i sina simuleringar. Dessutom gav detta arbete också inledande insikter i rymdfarkostens laddningsproblem och andra scenarier som involverar interaktioner mellan partiklar och ytor.

Proper modelling of the gravitational fields of irregularly shaped asteroids and comets is an essential yet challenging part of any spacecraft visit and flyby to these bodies. Accurate density representations provide crucial information for proximity missions, which rely heavily on it to design safe and efficient trajectories. This work explores using a spacecraft swarm to maximise the measured gravitational signal in a hypothetical mission around the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Spacecraft trajectories are simultaneously computed and evaluated using a high-order numerical integrator and an evolutionary optimisation method to maximise overall signal return. The propagation is based on an open-source polyhedral gravity model using a detailed mesh of 67P/C-G and considers the comet’s sidereal rotation. We compare performance on various mission scenarios using one and four spacecraft. The results show that the swarm achieved an expected increase in coverage over a single spacecraft when considering a fixed mission duration. However, optimising for a single spacecraft results in a more effective trajectory. The impact of dimensionality is further studied by introducing an iterative local search strategy, resulting in a generally improved robustness for finding efficient solutions. Overall, this work serves as a testbed for designing a set of trajectories in particularly complex gravitational environments, balancing measured signals and risks in a swarm scenario. / En korrekt modellering av de gravitationsfält som uppstår runt irreguljärt formade asteroider och kometer är en avgörande och utmanande del för alla uppdrag till likartade himlakroppar. Exakta densitetsrepresentationer tillhandahåller viktig information för att säkerställa säkra och effektiva rutter för särsilt närgående rymdfarkoster. I denna studie utforskar vi användningen av en svärm av rymdfarkoster för att maximera den uppmätta gravitationssignalen i ett hypotetisk uppdrag runt kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko. Rymdfarkosternas banor beräknas och utvärderas i parallella scheman med hjälp av en högre ordningens numerisk integration och en evolutionär optimeringsmetod i syfte att maximera den totala uppmätta signalen. Beräkningarna baseras på en öppen källkod för en polyhedral gravitationsmodell som använder ett detaljerat rutnät av triangulära polygoner för att representera 67P/C-G och beaktar kometens egna rotation. Vi jämför sedan prestanden för olika uppdragscenarier med en respektive fyra rymdfarkoster. Resultaten visar att svärmen uppnådde en förväntad ökning i täckning jämfört med en enskild rymdfarkost under en fast uppdragsvaraktighet. Dock resulterar optimering för en enskild rymdfarkost i en mer effektiv bana. Påverkan av dimensionshöjningen hos oberoende variabler studeras vidare genom att introducera en iterativ lokal sökstrategi, vilket resulterar i en generellt förbättrad robusthet samt effektivare lösningar. Sammantaget fungerar detta arbete som en testbädd för att studera och utforma rymdfarkosters banor i särskilt komplexa gravitationsmiljöer, samt för att balansera uppmätta signaler och risker i ett svärmscenario.