Thermal control system development of the MAJIS experiment

This work focuses on the thermo-mechanical design, including stress, buckling, frequency analysis in three axes with thermal load and maximum temperature of the IR-detector support, placed on the optical bench for MAJIS experiment used in space application. The proposed design allows withstanding higher acceleration loading during the launch of the spacecraft with respect to previous design configurations and being able to meet the thermal requirements. The major design goal is to verify the fulfilment of mechanical and thermal requirements of the holding system by finite element analysis. The work also focuses on the experimental characterization of the thermal insulation properties of a multi-layer insulator (MLI) performed by using the hot guarded apparatus experimental setup. Major scope of the work is to optimize the thermal control design of the MAJIS imaging spectrometer for planetary observation. Thermal performance of a 10-layer MLI is tested, varying the compressions between 0.4mm, 0.35mm and 0.3mm, under low pressure range of 10-3 mbar to 103mbar, at temperatures varying between 40, 60 and 80°C. The prediction of heat transfer through MLI is very complex due to the anisotropic system and combination of radiation, gas and solid conduction modes of heat transfer. This work is an attempt to gather some significant experimental data about MLI performance to allow for prediction of performances in real installation conditions accounting for applications factors such as layers compression and residual gas pressure.

Questo lavoro si concentra sulla progettazione termomeccanica, che comprende l'analisi di sollecitazione, deformazione, instabilità, analisi in frequenza su tre assi con carico termico e temperatura massima del supporto IR-detector, posto sul banco ottico per l'esperimento MAJIS utilizzato nell'applicazione spaziale. Il progetto proposto consente di sopportare un carico di accelerazione più elevato durante il lancio del veicolo spaziale rispetto alle precedenti configurazioni di progetto e di essere in grado di soddisfare i requisiti termici. L'obiettivo principale del progetto è quello di verificare il soddisfacimento dei requisiti meccanici e termici del sistema di supporto attraverso l'analisi agli elementi finiti. Il lavoro si concentra anche sulla caratterizzazione sperimentale delle proprietà di isolamento termico di un isolante multistrato (MLI) eseguita utilizzando la configurazione sperimentale dell'apparato di protezione a caldo. Lo scopo principale del lavoro è quello di ottimizzare il progetto di controllo termico dello spettrometro ad immagine MAJIS per l'osservazione planetaria. Le prestazioni termiche di un MLI a 10 strati sono testate, variando le compressioni tra 0,4mm, 0,35mm e 0,3mm, in un campo di bassa pressione da 10-3 mbar a 103mbar, a temperature che variano tra 40, 60 e 80°C. La previsione del trasferimento di calore tramite MLI è molto complessa a causa del sistema anisotropo e della combinazione di radiazione, gas e modalità di conduzione solida di trasferimento di calore. Questo lavoro è un tentativo di raccogliere alcuni dati sperimentali significativi sulle prestazioni di MLI per consentire di prevedere le prestazioni in condizioni reali di installazione tenendo conto di fattori applicativi quali la compressione degli strati e la pressione residua del gas.