Active thermal control for a balloon-borne telescope

The aim of this dissertation is to design, implement, integrate and test the thermal controller software, for the STUDIO payload, in the context of the space mission ESBO-DS (European Stratospheric Balloon Observatory - Design Study). It is a project, funded under the European Union's Horizon 2020 programme, that paves the way for an astronomical observatory infrastructure based on stratospheric balloons. A central part of the project is the development of the flightworthy prototype STUDIO, which is scheduled to fly in 2022. STUDIO payload would be working at around 40 km altitude and therefore it is necessary to have a precise and reliable thermal control system. The software is required to be developed on Linux Operating System through Object-Oriented Programming, within the Flight Software Framework. It is a component-based framework, developed by IRS (Institute of Space Systems), which contains useful and re-usable templates for the software components to build. The thermal analysis has been completed in 2019 but the thermal simulation is still to be finalized. Therefore, the equipment currently selected in terms of sensors and heaters will probably change in number and placement. For this reason, the software is designed in order to be flexible. It allows to delete or add components easily and in any moment. This work is split in two parts: the implementation of the device handler component, for the communication with physical devices, and the implementation of the thermal controller component. These two main classes are developed and tested independently. Then they are integrated and tested as a whole system. The software responsible of the Arduino sensor board has been fixed and improved within this project It was not meant to be an objective of this work but it revealed to be a bottleneck for the proceeding of the other components tests. The final tests for the validation of the system are not done yet. The following operations shall be concluded before these tests: the finalization of the thermal simulation, the development of the firmware for the power switcher communication interface, the set-up of the ground system and STUDIO telescope in IRS clean room.

Lo scopo di questa tesi è progettare, implementare, integrare e testare il software di controllo termico, per il payload di STUDIO, nell'ambito della missione spaziale ESBO-DS (European Stratospheric Balloon Observatory - Design Study). Si tratta di un progetto, finanziato nell'ambito del programma Horizon 2020 dell'Unione Europea, che apre la strada a un'infrastruttura di osservazione astronomica basata su palloni stratosferici. Una parte centrale del progetto è lo sviluppo del prototipo qualificato per il volo STUDIO, che dovrebbe volare nel 2022. Il carico utile di STUDIO lavorerebbe a circa 40 km di altitudine e quindi è necessario disporre di un sistema di controllo termico preciso e affidabile. Il software deve essere sviluppato su sistema operativo Linux attraverso la programmazione orientata agli oggetti, all'interno del FSFW (Flight Software Framework). È un framework basato su componenti, sviluppato da IRS (Istituto di Sistemi Spaziali), che contiene modelli utili e riutilizzabili per i componenti software da costruire. L'analisi termica è stata completata nel 2019 ma la simulazione termica deve ancora essere finalizzata. Pertanto, le apparecchiature attualmente selezionate in termini di sensori e riscaldatori, probabilmente cambieranno in numero e posizionamento. Per questo motivo, il software è progettato per essere flessibile. Consente di eliminare o aggiungere componenti facilmente e in qualsiasi momento. Questo lavoro è diviso in due parti: l'implementazione del componente per la comunicazione con i dispositivi fisici (device handler) e l'implementazione del componente di controllo (thermal controller). Queste due classi principali sono sviluppate e testate in modo indipendente. In seguito sono integrati e testati come un intero sistema. Il software responsabile della scheda Arduino Micro per la gestione dei sensori è stato corretto e perfezionato all'interno di questo progetto. Non sarebbe dovuto essere un obiettivo di questo lavoro ma si è rivelato un collo di bottiglia per il proseguimento dei test degli altri componenti. I test finali per la validazione del sistema non sono ancora stati effettuati. Prima di questi test devono essere concluse le seguenti operazioni: la finalizzazione della simulazione termica, lo sviluppo del firmware per l'interfaccia di comunicazione del commutatore di potenza (power switcher), la configurazione del sistema di terra e del telescopio STUDIO nella camera bianca dell'instituto IRS.