Development and application of methodologies for thermo-elastic predictions to the design of an ESA's earth observation satellite

The space environment is a domain in which the thermal-structural interactions assume a particular relevance for the correct design and operation of a spacecraft; as a matter of fact, there is an ever-increasing need of solutions to improve the predictive capabilities of thermo-elastic analyses. In particular, Earth observation satellites are a class of spacecrafts for which thermo-elastic predictions are of significant importance: not only thermal loads could compromise the structural integrity, but they could also impair the pointing stability of the scientific instruments on board. This keeps from exploiting the advantages deriving from the technological evolution of many sensors and optical instruments, which are becoming more and more demanding for high pointing stability. Nonetheless, in most projects, the thermo-elastic distortions are checked through analysis, rather than by tests: indeed, the difficulty and cost of recreating conditions representative of the space thermal environment determine that the analytical models describing the thermo-elastic behaviour are not usually correlated by tests on ground. As a result, the improvement of the predictive capabilities of thermo-elastic analyses is strongly wished. Unfortunately, thermal and structural engineers are generally separate figures who adopt different methods to address the peculiarities of their respective problems: the thermal problem is solved using a Lumped Parameter Model (LPM), characterised by a relatively coarse mesh; the structural engineer, on the other hand, exploits the Finite Element Method (FEM) and a much finer mesh. The present work aims at developing a solution to interface the two models; the goal is to obtain a procedure to accurately map the thermal nodes' temperatures onto the FE grid where, coupled with the structural loads, they will provide more accurate results. The method is then applied to the design of the thermo-elastic distortion test of a European Space Agency's Earth observation satellite, designed and developed at OHB-Italia which has provided the support for the realization of this project.

L'ambiente spaziale costituisce un ambito in cui le interazioni termo-strutturali rivestono una particolare rilevanza nella adeguata progettazione e nel corretto funzionamento di un satellite; questo determina la necessità sempre maggiore di trovare soluzioni per migliorare le capacità predittive delle analisi termoelastiche. In particolare, i satelliti per l'osservazione della terra appartengono a una classe di sonde per le quali tali predizioni ricoprono una elevata importanza: infatti i carichi termici non costituiscono solo una minaccia per l'integrità del satellite, ma possono anche compromettere la stabilità di puntamento della strumentazione scientifica di bordo. Il risultato è una forte limitazione dei vantaggi che la recente evoluzione tecnologica di sensori e strumenti ottici potrebbe portare: questi stanno infatti diventando sempre più esigenti, richiedendo una accuratezza e una stabilità di puntamento senza precedenti. Tuttavia, in molti progetti, le deformazioni termoelastiche sono verificate attraverso le analisi, piuttosto che con i test: infatti le difficoltà e i costi derivanti dal ricreare condizioni rappresentative dell'ambiente spaziale fanno si che molti modelli analitici del comportamento termoelastico non siano correlati da test a terra. Un miglioramento delle attuali capacità predittive delle analisi termoelastiche è quindi fortemente desiderato. Sfortunatamente l'ingegnere termico e quello strutturale sono generalmente due figure distinte che utilizzano metodi diversi per far fronte alle peculiarità dei loro rispettivi problemi: il problema termico è infatti tipicamente risolto ricorrendo al metodo dei parametri concentrati, ed è caratterizzato da una discretizzazione piuttosto grossolana; il problema strutturale d'altra parte sfrutta il metodo degli elementi finiti e impiega una griglia di calcolo ben più fitta. Il presente lavoro mira a sviluppare una soluzione al problema di interfacciare i due modelli; l'obiettivo è quello di ottenere una metodologia per mappare accuratamente sulla griglia di calcolo le temperature calcolate con il modello termico. Affiancando queste ai carichi strutturali si potranno infatti produrre risultati molto più precisi. Il metodo è quindi applicato alla progettazione del test di deformazione termoelastica di un satellite per l'osservazione della terra dell'Agenzia Spaziale Europea, il cui sviluppo è affidato ad OHB-Italia, che ha fornito il supporto per la realizzazione di questo lavoro.