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Oct 17, 2023

Modellazione termica di piccoli satelliti

Negli ultimi anni si è assistito ad un drammatico aumento del numero di satelliti in orbita. Una parte significativa di questo aumento è dovuta alle dimensioni più piccole dei satelliti più recenti. sebbene il

Negli ultimi anni si è assistito ad un drammatico aumento del numero di satelliti in orbita. Una parte significativa di questo aumento è dovuta alle dimensioni più piccole dei satelliti più recenti. Sebbene la più grande struttura orbitante, la Stazione Spaziale Internazionale, sia più grande di un campo da calcio, la maggior parte dei satelliti in orbita oggi hanno dimensioni molto più vicine a un pallone da calcio. Ciò è in parte dovuto alla popolarità del fattore di forma CubeSat, con un cosiddetto satellite 1U inserito in un involucro di 10 cm x 10 cm x 10 cm. Le dimensioni ridotte consentono di lanciare più satelliti da un unico razzo. Sebbene originariamente previsto per scopi prevalentemente accademici, ora esiste un robusto ecosistema commerciale che fornisce soluzioni di progettazione che vanno da 1U a 24U e l’uso di CubeSats sta crescendo a un ritmo notevole.

Una delle caratteristiche dei progetti CubeSat (e di altri progetti di piccoli satelliti) è che sono molto compatti. Molte fotocamere, sensori, strumenti, antenne, batterie, sistemi di controllo dell’assetto e altri dispositivi elettronici miniaturizzati sono molto ravvicinati e possono generare calore disperso. Progettare il satellite per irradiare adeguatamente questo calore nello spazio circostante è una delle principali preoccupazioni ingegneristiche. Gli ingegneri devono garantire che i vari componenti elettronici rimangano entro determinati intervalli di temperatura, ma questo può essere difficile, poiché i gradienti termici possono portare a deformazioni strutturali indesiderate. Poiché è piuttosto difficile eseguire qualsiasi tipo di test preflight veramente realistico, il processo di progettazione deve fare molto affidamento sulla modellazione numerica.

Una volta che il satellite è in orbita, si potrebbe essere tentati di pensare che il modello numerico non sia più necessario, ma non è vero. I componenti si guastano, spesso per ragioni sconosciute, e potrebbe essere necessario azionare i componenti elettronici rimanenti in combinazioni impreviste. L’operatore satellitare ha ancora bisogno del modello termico per prevedere il comportamento in tali circostanze, con l’obiettivo di aumentare la durata operativa (Figura 1).

Tutti i modelli numerici implicano la risoluzione di un'approssimazione delle equazioni governanti che descrivono il trasferimento di calore. Possono variare da modelli molto semplici a modelli quasi fedeli che includono molti aspetti geometrici e fisici. Il modello numerico più semplicistico ridurrebbe la complessità geometrica della struttura del satellite e calcolerebbe solo, in senso aggregato, una singola temperatura nel tempo per il satellite. Da lì, si potrebbe lavorare per introdurre variazioni di temperatura nei vari sottosistemi o componenti del satellite. Ciò richiederebbe all’analista numerico di introdurre molte approssimazioni, ipotesi e calcoli separati nel proprio modello.

Un modello fedele, invece, si basa direttamente sulla progettazione CAD e adotta l'approccio opposto. Iniziando direttamente con la progettazione CAD, si evita gran parte della noiosa convalida e verifica manuale di ogni semplificazione inserita in un modello ridotto. Naturalmente, lavorare direttamente con il CAD comporterà un costo computazionale maggiore: un modello numerico basato su CAD suddividerà la geometria del satellite in migliaia, o addirittura milioni, di diversi elementi computazionali, quindi c’è un compromesso.

Storicamente parlando, l’approccio della modellazione concentrata ha avuto molti vantaggi. I computer erano relativamente lenti, quindi far sì che l'analista numerico dedicasse del tempo alla riduzione semimanuale della complessità computazionale era importante per ottenere risultati rapidamente. Questo approccio è ancora rilevante per la modellazione di strutture molto grandi come la Stazione Spaziale Internazionale, ma per i piccoli satelliti, soprattutto perché i costi computazionali continuano a diminuire, sta diventando sempre più attraente iniziare dall’altra estremità dello spettro di modellizzazione.

In pratica, un analista termico vorrà lavorare da qualche parte nello spettro tra un modello completamente semplificato e uno completamente fedele. Ad esempio, potrebbe essere desiderabile sostituire la descrizione CAD di ciascuna vite e elemento di fissaggio con una resistenza termica concentrata sulla superficie tra i componenti uniti. Allo stesso modo, potrebbe avere senso ridurre un componente elettronico come un chip o una batteria a un blocco di materiale con proprietà medie e dissipazione interna.