Planetary and low orbit thermal environment for space thermal design

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.