Thermal analysis of HERMES-TP CubeSat using ESATAN and OpenFOAM

The thermal control subsystem has the straightforward role to keep all the hardware of the satellite inside its operating temperature ranges. In order to guarantee the accomplishment of such a goal, the satellite needs to be modelled in ESATAN, the software to be used to fulfill the ECSS. The numerical results coming from such models must be compared to tests in the thermal vacuum chamber to validate the models with a thermal balance test. Unfortunately, it might happen that the numerical results do not match the test data and in that case, it might be hard to spot the errors inside the ESATAN model. This is why it is necessary to crosscheck the ESATAN model with models developed in other software, possibly at every step of the design process, in order to spot the errors before they are kept in more complicated models and assessed only during the thermal test campaign. For the crosscheck, a free open source software is selected: OpenFOAM. The reasons of the choice are multiple: the software is free of licenses so it can be used on any machine outside the academic world; it is open source so it can be shaped to your needs and it is well integrated into the Linux environment allowing a high level of automation. Furthermore, the temperature fields computed in OpenFOAM can be directly converted in different file formats compatible with FEM software facilitating the computations of the thermal-stress fields when such analyses are needed. No records of cases where OpenFOAM is used for thermal analyses in the space environment were found, thus the thesis pushes the application of OpenFOAM in this sector. The tool developed in OpenFOAM is tested in the numerical thermal analyses campaign of the HERMES-TP CubeSat. Indeed, it is compared with the ESATAN model of the HERMES-TP payload to crosscheck the setup of the thermal interfaces and the geometry modelization of the satellite.

Il sottosistema di controllo termico ha il compito di mantenere tutto l'equipaggiamento del satellite entro i limiti di temperatura stabiliti. Per soddisfare questo obiettivo il satellite deve essere modellato in ESATAN, il software richiesto dagli standard ECSS. I risultati prodotti con il modello devono essere comparti con i dati dei test in camera termo-vuoto per essere validati. Sfortunatmente, può succedere che i risultati numerici non combacino con i risultati dei test, in tale caso diventa difficile trovare gli errori nel modello ESATAN. Questo è il motivo per cui è importante fare un crosscheck del modello ESATAN con modelli elaborati in altri software, possibilmente ad ogni passo del processo di design della missione, in modo da evitare che tali errori vengano mantenuti in modelli più complessi e affrontati solo in fase di test. Per il crosscheck è stato scelto un software gratuito e open source: OpenFOAM. Le motivazioni di questa scelta sono molteplici: il software è gratuito e privo di licenza, di conseguenza può essere installato su ogni macchina anche fuori dall'ambiente universitario; è open source e può essere modellato per le proprie necessità e infine, è ben integrato in ambiente Linux, facilitando l'automazione di tutti i processi. Inoltre, le temperature calcolate in OpenFOAM possono essere direttamente convertite in formati leggibili da software FEM per l'analisi di stress termici, qualora fosse richiesto. Non c'è letteratura riguardante casi in cui OpenFOAM è stato usato per analisi termiche in ambiente spaziale, di conseguenza la tesi approfondisce l'uso di OpenFOAM in questo settore. Il tool sviluppato in OpenFOAM è testato nella campagna di analisi termica numerica del CubeSat HERMES-TP. E' comparato con il modello ESATAN del payload della missione in modo da effetuare un crosscheck delle interfacce a della modellizzazione della geometria.