Progettazione e analisi del sistema di gestione termica di un CubeSat in orbita bassa terrestre (LEO)

This thesis addresses the problem of designing a thermal management system for a CubeSat in LEO orbit. After briefly introducing the basic concepts and requirements for satellite thermal management and the specific characteristics of a CubeSat, the work theoretically overlooks the principles of radiative and conductive heat exchange, Describing the main sources of heat in orbit and how they interact and shape solutions for the thermal control system. After a thorough description of the modelling and nodalization method implemented by simulation software, in particular by Systema, a simplified model for the treatment of a satellite’s thermal balance was developed, Highlighting the importance of the α/ε ratio in the selection of passive thermal control strategies. The thesis then focused on describing the state of the art of active and passive thermal control technologies commonly implemented on CubeSats and more generally on satellites. Finally, the thesis dealt with a case study on the design and analysis, using Systema software, of a thermal control system for a 3U CubeSat intended for solar observation in low earth synchronous Sun orbit (LEO). The objective was to ensure the correct maintenance of the operating temperatures required by the subsystems, geometrically modelled through the software, in particular the electronic and optical ones, through the adoption of thermal control strategies mainly of passive type, during the entire course of the orbit, even in the most extreme cases (WHC and WCC). Finally, through the analysis of data obtained through simulations, it was possible to observe how, through an iterative approach, it is possible to ensure the thermal balance of the CubeSat and the correct functioning of its main subsystems even using exclusively passive strategies.

La presente tesi affronta il problema della progettazione di un sistema di gestione termica per un CubeSat in orbite LEO. Dopo aver introdotto brevemente i concetti e i requisiti fondamentali riguardanti la gestione termica di un satellite e le caratteristiche specifiche di un CubeSat, il lavoro sorvola in linea teorica i principi di scambio termico radiativo e conduttivo, descrivendo poi le principali fonti di calore in orbita e come queste interagiscono e modellano le soluzioni per il sistema di controllo termico. Dopodiché, a seguito di una descrizione accurata del metodo di modellazione e nodalizzazione implementato dai software di simulazione, in particolare da Systema, è stato sviluppato un modello semplificato per la trattazione del bilancio termico di un satellite, evidenziando l’importanza del rapporto α/ε nella selezione delle strategie di controllo termico passivo. Successivamente la tesi si è soffermata sulla descrizione dello stato dell’arte delle tecnologie riguardanti il controllo termico attivo e passivo comunemente implementate sui CubeSat e più in generale sui satelliti. In ultima istanza, la tesi ha affrontato un caso studio riguardante la progettazione e l’analisi, tramite il software Systema, di un sistema di controllo termico per un CubeSat 3U destinato all’osservazione solare in orbita Sun sincrona terrestre bassa (LEO). L’obiettivo era garantire il corretto mantenimento delle temperature operative richieste dai sottosistemi, modellati geometricamente attraverso il software, in particolare quelli elettronici e ottici, attraverso l’adozione di strategie di controllo termico prevalentemente di tipo passivo, durante l’intera percorrenza dell’orbita anche nei casi più estremi (WHC e WCC). Infine, attraverso l’analisi dei dati ottenuti attraverso le simulazioni, è stato possibile osservare come, tramite un approccio iterativo, sia possibile garantire il bilancio termico del CubeSat e il corretto funzionamento dei suoi principali sottosistemi anche utilizzando strategie esclusivamente passive.