Thermal model and analysis of the LUMIO-Cam

LUMIO is a 12 U cubesat designed to orbit at L2 point in the Earth-Moon system to observe meteoroid impacts on the Lunar farside. The main payload is the LUMIO-Cam: an optical instrument specifically designed for this mission by Leonardo S.p.A. The LUMIO-Cam will be able to perform simultaneous observation in two different wavebands (VIS and NIR) to autonomously identify meteoroid impacts. To ensure a good SNR for these measurements, a strict temperature control of the detectors must be performed to maintain a constant value of -20°C. In this thesis work a complete thermal model of the instrument is built, based on the final output of phase-A and analyses to proceed with the phase-B design are carried out. The GMM and TMM of the instrument have been created on a dedicated software for thermal analysis and simulations were performed to analyse the behaviour of the instrument. The first study is focused on the capability of the detectors to withstand direct Sun exposure without being damaged. The obtained results confirmed that the instrument does not need a mechanical shutter for protection of its detectors. The second set of analyses was performed to ensure that the entire instrument is compliant with the non-operational temperature limit requirement. This set of analyses gave positive outcome as well. Lastly a preliminary analysis of operational conditions is performed with the sole objective of assessing the ability of the system of stabilizing the detectors temperature at -20°C. In this case the results obtained with the phase-A were unsatisfactory and minor design changes had to be made to reach the temperature goal. The next steps in the advancement of LUMIO-Cam design involve updating the model and performing more detailed analyses. The new thermal model of the instrument is needed to keep track of the changes deriving from SRR. The analyses will be repeated to ensure that the new deign is compliant to every requirement.

LUMIO è un cubesat da 12 unità progettato per orbitare nel punto lagrangiano L2 del sistema Terra-Luna con l’obiettivo di osservare l’impatto dei meteoroidi sul lato nascosto della superficie lunare. Lo strumento principale è la LUMIO-Cam, uno strumento ottico progettato appositamente per questa missione da Leonardo S.p.A. Questo strumento è in grado di identificare autnomamente l’impatto dei meteoroidi grazie ad un’acquisizione simultanea su due canali (VIS e NIR) delle immagini. Per garantire una buona qualità delle misurazioni è necessario un controllo termico attivo sui detector per mantenerli a una temperatura costante di -20°C. L’obiettivo di questa tesi è quello di creare un modello termico completo dello strumento, basato sul design finale della fase A, e di eseguire delle analisi che permetteranno di pro- cedere con il design di fase B dello stesso. Il GMM e TMM della LUMIO-Cam sono stati creati e analizzati su un software specifico per analisi termiche. Il primo set di analisi serve a stabilire la capacità dei detector di resistere a un’esposizione diretta al Sole senza danneggiarsi. I risultati hanno confermato questa capicità escludendo quindi la necessità di un otturatore meccanico per proteggere i sensori. Il secondo set di analisi è stato eseguito per verificare che il design consentisse allo struemnto di rispettare i requisiti di sopravvivenza in condizioni non operative. Anche in questo caso i risultati hanno confermato la validità del design che risulta quindi in linea con i requisiti di sistema. L’ultimo studio è incentrato esclusivamente a stabilire la capacità dello strumento di mantenere i sensori alla temperatura desisderata di -20°C. Il design di fase A è risultato essere inadatto e delle migliorie sono state necessarie per garantire il raggiungimento dell’obiettivo. I prossimi passaggi nello sviluppo della LUMIO-Cam prevedono un aggiornamento del modello termico e l’esecuzione di analisi più dettaglaite. Questo nuovo modello servirà a incorporare le novità nel design della LUMIO-Cam derivanti dalla SRR. Su questo nuovo modello andranno poi ripetute le analisi per assicurarsi che tutti i requisiti vengano rispettati.