Analisi e ottimizzazione del sistema di controllo termico del lander lunare per la missione PERSEIDE

This thesis addresses the analysis and optimization of the Thermal Control Subsystem (TCS) for the lander of the PERSEIDE space mission, developed within the Space Systems Laboratory. The main objective is to demonstrate the technical feasibility of the lander remaining on the lunar surface for a period of ten days, ensuring the operation of the various subsystems within the design constraints. In the first phase of the work, after analyzing the mission characteristics, the sizing of the lander's batteries and telecommunication system was performed, defining the characteristics of the primary lithium batteries (Li/CFx-MnO2) and the UHF-band TT&C system. The results of this phase provided the basis for the subsequent numerical modeling. Through the use of the SYSTEMA simulation software, the steady-state thermal balance (conductive and radiative) of the lander was developed, integrating into the TCS modeling the selection of surface coatings suitable for the harsh conditions of the lunar environment. The results confirmed the effectiveness of a passive thermal control approach, demonstrating how it is possible to achieve an equilibrium state between external thermal fluxes (direct solar, albedo, and lunar infrared) and internal heat dissipations, allowing the various substructures to operate within their respective temperature ranges, and laying a methodological foundation for potential future studies.

Il presente lavoro di tesi affronta l’analisi e l’ottimizzazione del Sottosistema di Controllo Termico (TCS) per il lander della missione spaziale PERSEIDE, sviluppata nell’ambito del laboratorio di Sistemi Spaziali. L’obiettivo principale è dimostrare la fattibilità tecnica dello stazionamento del lander sulla superficie lunare per un periodo di dieci giorni, garantendo il funzionamento dei diversi sottosistemi entro i vincoli di progetto. Nella prima fase del lavoro, dopo aver analizzato le caratteristiche della missione, sono stati effettuati i dimensionamenti delle batterie e del sistema di telecomunicazione del lander, definendo le caratteristiche degli accumulatori primari al litio (Li/CFx-MnO2) e del sistema TT&C in banda UHF. I risultati di questa fase hanno fornito la base per la successiva modellazione numerica. Mediante l’utilizzo del software di simulazione SYSTEMA, è stato sviluppato il bilancio termico in stato stazionario (conduttivo e radiativo) del lander, integrando nella modellazione del TCS la scelta dei rivestimenti superficiali (coating) idonei alle severe condizioni dell’ambiente lunare. I risultati hanno confermato l’efficacia di un approccio di controllo termico passivo, dimostrando come sia possibile raggiungere una situazione di equilibrio tra flussi esterni (solare diretto, albedo e infrarosso lunare) e dissipazioni interne, permettendo alle varie sottostrutture di operare all’interno dei rispettivi range di temperatura, ponendo una base metodologica per potenziali studi futuri.