Computers aan boord maken een geavanceerde verwerking van grote hoeveelheden gegevens mogelijk, die afkomstig zijn van steeds meer, steeds kleinere en steeds nauwkeurigere sensoren in kleine satellieten. “Hun elektronica produceert warmte die in de ruimte moet worden afgevoerd”, legt Johannes van Es, hoofdwetenschapper van de Thermal Control Group van NLR, uit. “Dit voorkomt het optreden van functionele storingen, of erger.”
Thermische problemen voor CubeSats en kleine satellieten (<100 kg) worden momenteel op passieve wijze opgelost. Maar naarmate satellieten verder doorontwikkeld worden, wordt aangenomen dat thermische problemen kunnen ontstaan bij waarden boven 20 watt. “Door de toename van het vermogen is een geavanceerder thermal control system (TCS – Thermisch reguleringssysteem) nodig om de CubeSats te laten werken in een agressieve omgeving zonder lucht, met grote temperatuurschommelingen en zonder zwaartekracht”, aldus Johannes.
Hun elektronica produceert warmte die in de ruimte moet worden afgevoerd
Mechanisch gepompte lus
Om TCS in een CubeSat te integreren, moet deze goedkoop, klein, energiezuinig en zowel modulair als flexibel zijn. Als robuuste oplossing hiervoor heeft Koninklijke NLR een nieuw thermisch concept ontwikkeld: de mini mechanisch gepompte lus (MPL). Deze transporteert de warmte van hete plekken naar thermische radiatoren, waarmee de warmte in de ruimte wordt uitgestraald. Het hart van het systeem is de multiparallelle micropomp (MPMP). Deze MPL is licht en betrouwbaar, omdat er verschillende pompen parallel geplaatst zijn om stroming te genereren. Met dit ontwerp wordt voorkomen dat door het falen van één pomp in de lus, het hele systeem ophoudt met werken. De afzonderlijke micropompen zijn piëzo-aangedreven verdringerpompen met passieve microkleppen. Door het platte ontwerp zijn de prestaties vergelijkbaar onder zeer diverse omstandigheden, zowel op de grond als bij minimale zwaartekracht in de ruimte.
CubeSat modulaire thermische modellering
Het ontbreken van thermische reguleringsoplossingen voor de huidige CubeSats is inherent aan hun korte ontwikkelingstijden, wat geleid heeft tot suboptimale thermische ontwerpen. Door de toename in vermogensdichtheid is thermische regulering nodig, waardoor er behoefte is aan goedkope hardware- en softwareoplossingen. Samen met CubeSat-fabrikant ISIS (Innovative Solutions in Space) ontwikkelde NLR een innovatieve modulaire aanpak voor thermische analyses van CubeSats, met behulp van ESATAN-TMS.
De sleutel tot deze aanpak is uitwisselbaarheid en schaalbaarheid van gevalideerde thermische submodellen, waardoor snelle en nauwkeurigere analyses mogelijk zijn voor missies in een lage baan om de aarde (low Earth orbit – LEO). Alle ontwerpen kunnen snel worden geëvalueerd in ESATAN-TMS, in het CubeSat-framemodel. Uiteindelijk kan het thermische model voor- en nadelen van het systeem beschrijven, vergeleken met conventionele thermische ontwerpopties.
Samenwerking
De conventionele ruimtevaartindustrie en -instituten hebben in de loop der jaren ervaring opgedaan met TCS, door systemen voor grotere satellieten te modelleren en testen. De conventionele aanpak is echter ongeschikt voor de ontwikkeling van CubeSats. Door het combineren van de door NLR ontwikkelde testmethodologieën en leerpunten, met de kennis en knowhow van CubeSat-systeemingenieurs, brengen we het beste uit twee werelden bij elkaar. Dankzij de gezamenlijke inspanningen van NLR, ISIS en de Universiteit Twente zijn kennis van thermische systemen, ervaring met thermisch modelleren en testen, en de beschikbaarheid van goedkope hulpmiddelen effectief gekoppeld.
Wat zijn CubeSats?
De afmetingen van kleine satellieten (ook wel nanosatellieten genoemd) volgen de CubeSat-standaard, waarbij buitenafmetingen van satellieten gedefinieerd wordt in kubieke eenheden (U). 1U komt overeen met 10 x 10 x 10 cm. Een typische maat waarin kleine technologische ladingen passen, is een CubeSat met 3 eenheden met de afmetingen 10 x 10 x 30 cm. TCS wordt relevant voor 3U CubeSats met grote uitvouwbare zonnepanelen of 8U zonder uitvouwbare zonnepanelen.
Lees meer
in het rapport over de mini mechanisch gepompte lus voor de thermische regeling van CubeSat: de mini mechanisch gepompte lus voor thermische regulering van de CubeSat geschreven door NLR, samen met de Universiteit Twente en ISIS (Innovative Solutions In Space).
over thermische modellering met behulp van ESATAN-TMS: geschreven door NLR samen met ISIS (Innovative Solutions In Space).
ESATAN-TMS
De ESA Thermal Analysis Network (ESATAN)-software werd voor het eerst in 1985 aan gebruikers beschikbaar gesteld. Het is tegenwoordig de geaccepteerde standaardtool voor thermische analyse van ESA-ruimteprojecten.
Elk CubeSat-ontwerp kan snel worden geëvalueerd in de Thermal Modelling Suite (TMS) van ESATAN, door een combinatie van gevalideerde thermische submodellen te implementeren in het CubeSat-framemodel. In de loop van de tijd wordt in ESATAN-TMS een bibliotheek met gevalideerde thermische submodellen aangelegd, waarmee snelle en nauwkeurige orbitale analyses mogelijk worden die leiden tot verbeterde thermische ontwerpen voor CubeSats.
