Analisi e modellazione del controllo termico per UAV stratosferici

Stratospheric unmanned aerial vehicles (UAVs) represent a key technology for modern long-term monitoring missions. However, operating at high altitudes poses severe engineering challenges, primarily linked to the presence of a highly rarefied atmosphere that drastically reduces convective heat transfer efficiency. In this context, the thermal management of on-board subsystems becomes a critical factor to guarantee the vehicle's survival and operability throughout the entire day-night cycle. The objective of this thesis is to analyze the operating environment and the currently available thermal management solutions, as well as to model the thermal behavior of a UAV subjected to stratospheric radiative fluxes and convective exchange in rarefied air. To this end, a mathematical model is developed, which is then implemented and simulated within a MATLAB environment. Through numerical analysis, this work aims to verify the thermal response of the system and guide the preliminary sizing and selection of thermal control strategies, both passive (insulation) and active (heaters), necessary to maintain the components within their proper operating temperature ranges. The expected results will offer a useful tool for an initial evaluation of thermal control solutions in stratospheric scenarios.

I velivoli stratosferici non pilotati (UAV) rappresentano una tecnologia chiave per le moderne missioni di monitoraggio a lungo termine. Operare in condizioni di alta quota comporta però severe sfide ingegneristiche, principalmente legate alla presenza di un'atmosfera fortemente rarefatta che riduce drasticamente l'efficienza dello scambio termico convettivo. In questo contesto, la gestione termica dei sottosistemi di bordo diventa un fattore critico per garantire la sopravvivenza e l'operatività del velivolo lungo l'intero ciclo giorno-notte. L'obiettivo dell'elaborato è l'analisi dell’ambiente operativo e delle soluzioni di gestione termica ad oggi disponibili nonché la modellazione del comportamento termico di un UAV sottoposto ai flussi radiativi stratosferici e agli scambi convettivi in aria rarefatta. A tale scopo, viene sviluppato un modello matematico poi implementato e simulato in ambiente MATLAB. Tramite l'analisi numerica, il lavoro si propone di verificare la risposta termica del sistema e di indirizzare il dimensionamento preliminare e la scelta delle strategie di controllo termico, sia passive (isolamento) sia attive (riscaldatori), necessarie a mantenere i componenti all'interno dei corretti intervalli di temperatura operativa. I risultati attesi offriranno uno strumento utile per una prima valutazione delle soluzioni di controllo termico in scenari stratosferici.