Analysis of the ARIEL spacecraft thermal architecture in the early A phase

Scientific satellites equipped with instruments that have operative temperature at cryogenic level require high precision in thermal analysis. In order to achieve those low temperatures, efficiently passive cooling systems are exploited at the cost of setting stringent requirements, mainly on orbit and attitude. When passive cooling is not enough to achieve the required operating temperatures then active solutions are considered. This thesis work analyses the thermal architecture of the ARIEL mission payload. ARIEL is one of the three candidate missions for the ESA fourth medium-class scientific mission (M4) call in the framework of the Cosmic Vision 2015-2025. Its main objective is the study of the atmospheres of several hundreds of the hottest recently discovered exoplanets. Telescope optics and detector units shall operate at cryogenic temperatures to achieve the necessary signal to noise ratio to allow successful scientific observations. The work, started just before the end of the Phase 0 (ended in September 2015), has been focused on the payload thermal architecture at a level of details typical of an early Phase A study. A thermal mathematical model of the spacecraft has been built with the software package ESATAN-TMS, the standard ESA thermal analysis tool. Thermal performances have been investigated mainly through the analyses of the spacecraft passive cooling system, by studying the thermal design sensitivity to the most relevant parameters assumed during the construction of the model in ESATAN-TMS, like the service module dimension, radius and inclination of the V-Grooves, radiating surfaces size and others. The thesis has been conducted at INAF-IASF Bologna under the supervision of dr. Gianluca Morgante. IASF Bologna is part of the scientific consortium responsible for the ARIEL's payload, where in particular dr. Morgante is responsible for the payload thermal control system.

Satelliti per osservazioni scientifiche equipaggiati con strumenti che operano a temperature criogeniche richiedono un'analisi termica di alta precisione. Per ottenere basse temperature, sono sfruttati efficienti sistemi di raffreddamento passivo ma al costo di porre stringenti requisiti soprattutto sull'orbita e assetto del satellite. Se il raffreddamento passivo non è sufficiente ad ottenere le temperature operative richieste, soluzioni di raffreddamento attivo sono prese in considerazione. Questo lavoro di tesi analizza l'architettura termica del payload della missione ARIEL. ARIEL è una delle tre missioni candidate per la quarta missione scientifica di classe media (M4) dell'ESA nell'ambito del programma Cosmic Vision 2015-2025. Il suo obiettivo principale è lo studio delle atmosfere di diverse centinaia dei più caldi esopianeti scoperti recentemente. Le parti ottiche del telescopio e gli strumenti di misura scientifici devono operare a temperature criogeniche per ottenere il rapporto segnale rumore necessario che permetta osservazioni scientifiche con successo. Il lavoro, iniziato poco prima della fine della Fase 0 (conclusa a Settembre 2015), si è focalizzato sull'architettura termica del payload ad un livello di dettaglio tipico di uno studio di Fase A allo stato iniziale. Un modello termico-matematico del satellite è stato costruito con l'ausilio del pacchetto software ESATAN-TMS, lo strumento standard di analisi termica dell'ESA. Le prestazioni termiche sono state analizzate soprattutto sul sistema di raffreddamento passivo. In particolare, è stata studiata la sensibilità del design termico rispetto ai più rilevanti parametri assunti durante la costruzione del modello in ESATAN-TMS, come le dimensioni del modulo di servizio, il raggio e l'inclinazione dei V-Groove, l'ammontare della superficie radiativa e altri. La tesi è stata svolta all'INAF-IASF Bologna sotto la supervisione del dr. Gianluca Morgante. L'IASF di Bologna è parte del consorzio scientifico responsabile del payload di ARIEL. In particolare, il dr. Morgante è responsabile del sistema di controllo termico del payload.