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Tesis:

Thermal analysis of space systems in Martian conditions

  • Autor: ROMERO GUZMÁN, Catalina

  • Título: Thermal analysis of space systems in Martian conditions

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO

  • Departamentos: MECANICA DE FLUIDOS Y PROPULSIÓN AEROESPACIAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/76621/

  • Director/a 1º: PÉREZ GRANDE, Isabel
  • Director/a 2º: RODRÍGUEZ MANFREDI, José Antonio

  • Resumen: Thermal analysis systems are crucial in advancing space exploration, particularly for Mars. The precise results obtained through thermal analysis allow studying the Red Planet's surface in great detail. Moreover, given the limited information about Mars, the thermal analysis gives accurate results quickly and cost-effectively for the design of space systems. Once these space systems land on Mars, it is required to investigate how they will impact the local environment through thermal analysis, which provides valuable insights into the disturbing thermal effects, which significantly affect temperature measurements. Therefore, it is necessary to take all precautions to ensure the Mars measurement of temperatures is conducted optimally, identifying these possible altering of the space systems in the local environment. Following this research line, this doctoral thesis aims to understand the principal effects of space systems in Mars missions. At first, it overviews the principal effects of spacecraft: the lander interference and shadowing effect, and how these effects have affected temperature measurements in diverse missions on the Martian surface. Then, It presents the importance of thermal modeling as a primary tool to simulate the behavior of the space systems in Martian conditions and to understand the interaction of the space systems with the local environment. Subsequently, it provides a comprehensive overview of Mars missions, and to delimit the research, it focuses on the InSight mission to explore the interaction of their solar panels with the Martian environment. Additionally, it contains a section describing the development of a thermal single-node model of the InSight solar panels to investigate the interaction of solar panels in Martian conditions. The result section comprises the model validation and the analysis of the model results, as well as solar panel temperature and its efficiency along 500 sols and an analysis near-surface thermal profile. The conclusions section presents the contribution of the model and its limitations. Moreover, it presents possibilities for future works to continue this research line. Finally, the appendix contains additional data used for this doctoral research. RESUMEN Los sistemas de análisis térmico son cruciales para avanzar en la exploración espacial, particularmente para Marte. Los resultados precisos obtenidos a través del análisis térmico permiten estudiar la superficie del Planeta Rojo con gran detalle. Además, dada la información limitada sobre Marte, el análisis térmico brinda resultados precisos de manera rápida y rentable para el diseño de sistemas espaciales. Una vez que estos sistemas espaciales aterricen en Marte, se requiere investigar cómo impactarán en el entorno local a través del análisis térmico, que proporciona información valiosa sobre los efectos térmicos perturbadores, que afectan significativamente las mediciones de temperatura. Por lo tanto, es necesario tomar todas las precauciones para garantizar que la medición de las temperaturas de Marte se realice de manera óptima, identificando estas posibles alteraciones de los sistemas espaciales en el entorno local. Siguiendo esta línea de investigación, esta tesis doctoral pretende comprender los principales efectos de los sistemas espaciales en las misiones a Marte. En primer lugar, repasa los principales efectos de las naves espaciales: la interferencia del módulo de aterrizaje y el efecto de sombra, y cómo estos efectos han afectado las mediciones de temperatura en diversas misiones en la superficie marciana. Luego, presenta la importancia del modelado térmico como herramienta principal para simular el comportamiento de los sistemas espaciales en condiciones marcianas y para comprender la interacción de los sistemas espaciales con el entorno local. Posteriormente, proporciona una descripción completa de las misiones a Marte y, para delimitar la investigación, se centra en la misión InSight para explorar la interacción de sus paneles solares con el entorno marciano. Además, contiene una sección que describe el desarrollo de un modelo térmico de un solo nodo para los paneles solares InSight e investigar la interacción de los paneles solares en condiciones marcianas. La sección de resultados comprende la validación del modelo térmico y el análisis de los resultados del modelo, así como la temperatura del panel solar y su eficiencia a lo largo de 500 soles y un análisis del perfil térmico cercano a la superficie. La sección de conclusiones presenta la contribución del modelo y sus limitaciones. Además, presenta posibilidades de futuros trabajos para continuar con esta línea de investigación. Finalmente, el anexo contiene datos adicionales utilizados para esta investigación doctoral.