HERMES CubeSat payload thermal balance test correlation with Finite Volume Thermal Model

The objective of this study is to evaluate the thermal behavior of scientific payloads on CubeSats, which often have complex geometries and narrower temperature tolerances compared to the rest of the spacecraft. To accurately predict the thermal performance of the payloads once in orbit, a thermal balance test is conducted to identify the thermal behaviour of the payload. This test involves applying various external thermal boundary conditions and incorporating heat dissipation to simulate the thermal load generated by active electronics during operation. The experimental data obtained are crucial for validating the numerical thermal model and ensuring the reliability of its predictions. This thesis highlights the configuration and procedures of the thermal balance test performed on the Demonstration Model of the payload and presents the development of the thermal mathematical model based on the finite volume method approach. The test results are compared, using ECSS standards, with those obtained from the mathematical model of the payload, demonstrating the reliability of this method for space thermal analyses. Once the FVTM is tuned and correlated, a sensitivity analysis is conducted to assess the accuracy of the model. Finally, the model is used to test the effects of dedicated thermal dissipators thus enabling to quantify their effects on the payload temperature field, in terms of temperature drops.

L'obiettivo di questo studio è valutare il comportamento termico dei carichi utili scientifici sui CubeSat, che spesso hanno geometrie complesse e tolleranze di temperatura più ristrette rispetto al resto del veicolo spaziale. Per prevedere con precisione le prestazioni termiche dei carichi utili una volta in orbita, viene condotto un test di equilibrio termico per identificare il comportamento termico del carico utile. Questo test prevede l'applicazione di varie condizioni al contorno termiche esterne e l'implementazione di sistemi di dissipazione di calore per simulare il carico termico generato dall'elettronica attiva durante il funzionamento. I dati sperimentali ottenuti sono fondamentali per validare il modello termico numerico e garantire l'affidabilità delle sue previsioni. Questa tesi illustra la configurazione e le procedure del test di equilibrio termico eseguito sul modello dimostrativo del carico utile e presenta lo sviluppo del modello matematico termico basato sull'approccio del metodo dei volumi finiti. I risultati dei test sono confrontati con quelli ottenuti dal modello matematico del carico utile, dimostrando l'affidabilità di questo metodo per le analisi termiche spaziali. Una volta messo a punto e correlato l'FVTM, è stata condotta un'analisi di sensibilità per valutare l'accuratezza del modello. Infine, l'implementazione dei collegamenti termici sul modello correlato ha permesso di quantificare i benefici derivanti dal suo utilizzo.