Tesis:
Planetary and low orbit thermal environment for space thermal design
- Autor: GONZÁLEZ BÁRCENA, David
- Título: Planetary and low orbit thermal environment for space thermal design
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: FACULTAD DE INFORMATICA
- Departamentos: AEROTECNIA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72025/
- Director/a 1º: SANZ ANDRES, Angel Pedro
- Resumen: The thermal environment characterization is one of the main steps to be done when facing the thermal analysis of space systems. They are usually analysed using worst-case values, which define the extreme conditions that can drive the system to its maximum temperatures. If the system is analysed under these conditions, temperatures during its whole life would be between these limits. However, it is important to well define the thermal environment in order to both get an appropriate design and to avoid oversizing the thermal control subsystem. The criteria developed by NASA for selecting the worst-case parameters has been widely used for years in several space missions. However, these criteria has not evolved since 1994 when first Earth radiation budget data were available. Nowadays, there are many data sources that can be used instead in order to deal with some limitations of the NASA criteria. In addition, the current computing capabilities allow for more complex analysis that can improve the thermal analysis and design of these systems. In this work, firstly, NASA criteria has been adapted to the thermal analysis of stratospheric balloon missions. This kind of missions have some differences with regard to the space ones, which makes necessary to perform a particularized analysis. Once at the floating altitude, convection is negligible in most cases but not during the ascent phase when it should be considered together with other parameters. In addition, the residence time over a point on the Earth surface is much higher than for a satellite. This makes necessary to focus the analysis on the geographic area where the flight is going to be, and to limit the data to the epoch when they can be performed. A complete thermal environment characterization based on real-observation data has been developed in order to define the worst-case analysis for both the float and ascent phases. This methodology has been applied to real missions such as SUNRISE III and TASEC-Lab. Secondly, NASA criteria for selecting the worst-case thermal environmental parameters in Low Earth Orbits has been reviewed with the aim of identifying its limitation and proposing a new methodology. It is common to analyse satellites from a thermal point of view by identifying worst-case orbits with constant values for the thermal environmental parameters. This method has been successfully used for years but small satellites or low massive parts need a reconsideration since they are more coupled to variations in the thermal environment. Here, worst-case time-dependent profiles are proposed in order to obtained more precise analysis based on a particularized characterization. ----------RESUMEN---------- La caracterización del ambiente térmico es una de las principales tareas a realizar a la hora de afrontar el análisis térmico de un sistema espacial. Por lo general, éstos se analizan utilizando los valores de los "peores casos", que definen las condiciones extremas que pueden llevar al sistema a sus temperaturas máximas y mínimas. Si se analiza el sistema bajo estas condiciones, es posible garantizar que las temperaturas durante toda su vida útil estarían entre estos límites. Sin embargo, es importante definir bien el ambiente térmico para obtener un diseño adecuado y evitar sobredimensionar el subsistema de control térmico. Los criterios desarrollados por la NASA para seleccionar los parámetros de los peores casos se han utilizado ampliamente durante años en varias misiones espaciales. Sin embargo, este criterio prácticamente no ha evolucionado desde 1994, cuando se utilizaron para ello los primeros datos disponibles del balance radiativo de la Tierra. Hoy en día, hay muchas fuentes de datos que pueden usarse en su lugar para lidiar con algunas de sus limitaciones. Además, las capacidades informáticas actuales permiten análisis más complejos que pueden mejorar el análisis térmico y el diseño de estos sistemas. En este trabajo, en primer lugar, se han adaptado los criterios de la NASA al análisis térmico de las misiones de globos estratosféricos. Este tipo de misiones tienen algunas diferencias con respecto a las espaciales que hacen necesario realizar un análisis particularizado de las mismas. Una vez en la altitud de crucero, la convección puede despreciarse en la mayoría de los casos. Sin embargo, esto no ocurre durante la fase de ascenso cuando ésta debe considerarse junto con otros parámetros. Además, el tiempo de residencia de los globos estratosféricos sobre un punto de la superficie terrestre es mucho mayor que el de un satélite. Esto hace necesario centrar el análisis en el área geográfica donde se va a realizar el vuelo y acotar los datos a la época en que se pueden realizar. En esta tesis se ha desarrollado una caracterización completa del entorno térmico basada en datos de observación real para definir los análisis tanto para la fase de crucero como para la de ascenso. Esta metodología se ha aplicado a misiones reales como SUNRISE III y TASEC-Lab. En segundo lugar, se ha llevado a cabo una revisión de los criterios de la NASA para seleccionar los peores casos de los parámetros del entorno térmico en órbitas bajas con el objetivo de identificar sus limitaciones y proponer una nueva metodología. Es común analizar los satélites desde un punto de vista térmico mediante la identificación de las órbitas más extremas con valores constantes para los parámetros del entorno térmico. Este método ha sido utilizado con éxito durante años, pero los satélites pequeños o partes más ligeras de los mismos necesitan una reconsideración de esta metodología ya que están más acoplados a las variaciones en el entorno térmico. En este trabajo se proponen perfiles orbitales dependientes del tiempo para los parámetros térmicos con el objetivo de obtener análisis más precisos basados en una caracterización particularizada a cada satélite.