Thermal control system for a composite-structure satellite in LEO

The global satellite market is slowly transitioning towards small-sized standardized satel lite platforms, with masses in the hundreds of kilograms. Within this context, Argotec is designing its next generation of small-sized satellite platform, namely Hawk Heavy, with a mass of ∼ 300 kg which exploits a sandwich panel structure. Such kind of panels are made of facesheets bonded to an honeycomb core, which strongly influence the conduction ca pabilities of the satellite by hindering heat exchange through the surfaces and dissipation towards space. As the project still resides in its most preliminary phases, thermal assess ment of the structure is yet to be performed. This thesis provides a preliminary evaluation of a TCS for a composite-structure satellite operating in a LEO scenario by exploiting typical passive (excluding heaters) thermal control techniques. This is achieved by the creation of a thermal model of the Hawk Heavy satellite on the ESATAN-TMS software. Thermal analyses are performed to evaluate the spacecraft thermal response under worst case conditions (both hot and cold cases). A first draft of a possible TCS is proposed, which is tuned to the spacecraft configuration and to the orbital environments through an iterative process of thermal analyses and model corrections. The proposed TCS of the final configuration allows every vital component of the satellite to remain within its op erational temperature limits during both hot and cold case. Problems arise around lower temperature limits for some components mounted on specific areas of the satellite; these regions will require a more thorough analysis process which shall be addressed in future iterations. Nonetheless, the results of this thesis prove the theoretical feasibility of ther mal control of a composite-structure satellite without the use of any fluidic components, thus offering a more reliable and cost-effective solution for a TCS of such kind of satellites.

Il mercato globale dei satelliti sta piano piano transitando verso un’economia centrata su piattaforme standard per smallsats con masse nell’ordine delle centinaia di chilogrammi. In questo contesto, Argotec sta progettando una nuova generazione di piattaforme per smallsats, chiamata Hawk Heavy, avente massa ∼ 300 kg e che sfrutta una struttura in pannelli sandwich. Queste strutture sono composte da sottili pannelli sulle due facce uniti ad uno strato centrale di honeycomb, il quale influenza fortemente le capacità conduttive del satellite ostacolando lo scambio di calore attraverso le superfici e la dissipazione verso lo spazio. Considerato lo stadio ancora preliminare del progetto, il presente lavoro si pro pone di effettuare una prima caratterizzazione termica di tali sistemi. Questa tesi fornisce quindi una valutazione preliminare di un sistema di controllo termico per un satellite in struttura composita che opera in orbita bassa terrestre, sfruttando tecniche di controllo termico di tipo passivo convenzionali (eccetto gli heaters). Ciò è effettuato attraverso la creazione di un modello termico di Hawk Heavy utilizzando il software ESATAN-TMS. Analisi termiche sono effettuate per valutare il comportamento dal punto di vista termico del satellite nelle peggiori condizioni possibili (sia al caso caldo che al caso freddo). Viene inizialmente proposta una prima bozza di Thermal Control System (TCS), la stessa viene poi modificata e rifinita in base alla configurazione del satellite ed agli scenari orbitali attraverso un processo iterativo per mezzo di analisi termiche e correzioni al modello. Il TCS della configurazione finale è in grado di mantere ogni componente vitale del satellite entro i propri limiti operativi di temperatura sia nel caso caldo che nel caso freddo. Alcuni componenti posizionati in certe aree del satellite presentano problemi riguardanti i limiti bassi di temperatura; queste zone richiederanno un processo di analisi più dettagliato nelle future iterazioni del modello. Nonostante ciò, i risultati di questa tesi dimostrano la fattibilità teorica dell’utilizzo di sistemi di controllo termico convenzionali per un satellite in struttura composita senza l’utilizzo di soluzioni fluidiche, al fine di ottenere un TCS più affidabile e meno costoso per questa categoria di satelliti.