Fluid analysis in microgravity : focus on Hydrazine tank of spacecraft in ExoMars mission 2016

Abstract: During the ExoMars2016 mission, precisely in the cruising toward Mars, it was seen an anomalous thermal behavior of propellant tanks inside the EDM (Entry Descent Module) of the spacecraft. The three titanium shells containing hydrazine were expected to maintain a certain range of working temperature, thanks to heaters applicated on them, in a specific interval of time. The cycle in cruising phase was expected to have a duration of some tens of minute while the final thermal boost before the separation of the capsule from the aircraft of some hours, this due to an uncoupled system tank/fluid. But data from telemetries have reported the duration of some hours for the heating cruising phase and 26 hours for the thermal boost. For this reason, in this article, it was investigated what happen inside the tanks to understand why the real time needed was so different with respect to the time expected. This was done analyzing data given by the company Thales Alenia, through a CFD analysis and with a lumped parameter approach. Through this study, it was seen that a coupling between tank and fluid exists even in a microgravity environment, resulting in an increasing of heating time. Furthermore, results have shown that the fluid behaved almost like a solid, showing a purely diffusive heating trend.

Durante la missione ExoMars2016, precisamente nella fase di crociera verso Marte, è stato osservato un comportamento termico anomalo dei serbatoi di propellente all'interno dell'EDM (Entry Descent Module) della navicella. I tre gusci in titanio contenenti idrazina avrebbero dovuto mantenere un certo intervallo di temperatura, in un ciclo temporale prestabilito, grazie ai riscaldatori applicati su di essi. Il ciclo termico della fase di crociera doveva avere una durata di alcune decine di minuti mentre il boost finale prima del distacco della capsula dal velivolo, di alcune ore. Questo grazie al disaccoppiamento tra fluido e serbatoio. Ma i dati provenienti dalle telemetrie hanno riportato la durata di alcune ore per la fase di riscaldamento in crociera, e di 26 ore per il boost termico. Per questo motivo, in questo articolo, si è indagato su cosa fosse accaduto all'interno dei serbatoi per capire perché il tempo reale necessario per il riscaldamento fosse così diverso rispetto al tempo previsto. Lo studio è stato condotto analizzando i dati forniti dalla società Thales Alenia, implementando un'analisi CFD e con un approccio a parametri concentrati. Attraverso questa analisi, si è notato che estiste un accoppiamento tra serbatoio e fluido anche in un ambiente in microgravità, con conseguente aumento del tempo di riscaldamento. Inoltre, i risultati hanno mostrato che il fluido si comportava quasi come un solido, riscaldandosi per pura diffusione.