Webinar: Future of Small Satellite Thermal Control (De toekomst van thermische regulering van kleine satellieten) (30 september 2021)
CubeSats zijn een belangrijke bron bij het verzamelen van informatie over de planeet en haar omgeving. Naarmate satelliettechnologieën verder doorontwikkelen, worden CubeSats betaalbaarder en toegankelijker. Maar naarmate deze ruimtesensoren populairder worden, nemen ook de verwachtingen toe. Technische behoeften en satellietladingen (payloads) worden groter, wat resulteert in hogere vermogensdichtheden en stijgende temperaturen van elektronica aan boord. Om te voorkomen dat deze ontluikende technologie oververhit raakt, en dat het zweet uitbreekt bij systeemingenieurs, werkt Koninklijke NLR samen met satellietintegrator ISISpace aan een nieuwe missie: het ontwikkelen van nieuwe thermische modellerings- en dissipatieconcepten om met stijgende temperaturen om te gaan.
Dankzij eigen onderzoek en ervaring in de CubeSat-industrie hebben NLR en ISIS de thermische problemen teruggebracht tot een handvol lacunes die nog opgevuld moeten worden. Ten eerste is er het ontwerp van de hardware, waardoor het lastig is om thermische regulering te implementeren en integreren. Vervolgens is er kennis, of het gebrek aan inzicht en informatie, over thermische eigenschappen zoals de warmteoverdracht via gemeenschappelijke elementen van CubeSats, bijvoorbeeld via geleidende koppelingen of contactgeleiding. Ten slotte is er, gekoppeld aan dit gebrek aan informatie, de verificatie en validatie van systemen met alleen basismodellen en -testen.
Om de hiaten in de kennis te vullen, schakelden de medewerkers ESATAN-TMS in om gedetailleerde thermische modelleringsconcepten te ontwikkelen, voor een grotere nauwkeurigheid van testresultaten en -gegevens. Daarmee willen de onderzoekers de doorlooptijd van thermische analyse en het thermische modelleringsproces verkorten. Bovendien kunnen NLR en ISIS, met deze nieuwe schat aan informatie, gegevens gebruiken om een bibliotheek met thermisch gevalideerde en geverifieerde CubeSat-modules op te zetten die kunnen worden gebruikt als bouwstenen voor toekomstige satellieten. Hierdoor kan het proces nog verder worden versneld, voor zowel huidige als potentiële klanten.
NLR Webinar | Future of Small Satellite Thermal Control (De toekomst van thermische regulering van kleine satellieten)
Multiparallelle micropomp
Terwijl er met behulp van thermische modellering van ESATAN werd gewerkt aan het dichten van de kenniskloof en de validatiehiaten met nauwkeurigere gegevens en standaardisatie, waren de projectmedewerkers tevens geïnteresseerd in de manier waarop CubeSat-hardware het probleem van oplopende temperaturen kon oplossen. Vergeleken met gewone satellieten hebben CubeSats vrijwel altijd een hogere energiedichtheid en dus hogere temperaturen dan conventionele satellieten. Dit is te danken aan de vooruitgang in zonneceltechnologie en geminiaturiseerde elektrische componenten. Ook de introductie van voortstuwingsmodules en krachtige elektronica spelen hierbij een rol. Om het probleem van energiedichtheid aan te pakken, richtten onderzoekers zich op een enkelfasige mechanisch gepompte vloeistoflus (mechanically pumped fluid loop – MPFL).
Het hart van dit gepatenteerde NLR-ontwerp wordt gevormd door de multiparallelle micropomp. Dit nieuwe pompontwerp maakt gebruik van een tweetaktsysteem met piëzo-aandrijving dat warmte transporteert door werkvloeistof bij de warmtebron op te warmen, en die vloeistof vervolgens naar een koellichaam of radiator te pompen, waar de warmte in de ruimte wordt geloosd. Met het werkende prototype hebben NLR en ISIS 20 watt warmtetransport gerealiseerd bij een massastroom van 500 mg per seconde en een pompvermogen van slechts 0,2 watt – geschikt voor de huidige thermische dissipatiebehoeften.
De volgende stap in de samenwerking is het inspelen op toekomstige behoeften. Dit is de reden waarom ze zijn begonnen aan de volgende fase van het project, het opschalen van de technologie tot 100 watt warmteoverdracht bij een stroomverbruik van minder dan 5 watt. De afronding van deze fase wordt in de loop van 2023 verwacht. Na voltooiing hopen NLR, ISIS en productiepartner Demcon Kryoz de ontwikkeling van het systeem voort te zetten met een demonstratie in de ruimte.
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.
ESATAN-TMS
Wilt u meer weten?
Als u meer wilt weten over thermische regulering en hoe Koninklijke NLR u hierbij kan helpen, bezoek dan onze pagina met mogelijkheden of neem contact op met Johannes van Es
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.
