Thermal effects reduction techniques for the SIMBIO-SYS scientific suite of BepiColombo mission

Il progetto di ricerca di questa tesi di dottorato è finalizzato a indagare possibili tecniche di riduzione degli effetti termici per la strumentazione scientifica SIMBIO-SYS della missione ESA BepiColombo a Mercurio. SIMBIO-SYS è una suite integrata di strumenti ottici costituita da tre canali: High Resolution Imaging Channel (HRIC), STereo Imaging Channel (STC), Visual and Infrared Hyperspectral Imager (VIHI). SIMBIO-SYS dovrà operare nell'ambiente termicamente ostile di Mercurio. E' quindi necessaria la progettazione di dedicati ed efficaci sistemi di reiezione del calore e di controllo termico per lo strumento. Il problema è stato affrontato con un approccio il più possibile metodologico al fine di individuare gli aspetti cruciali del problema progettuale. Inizialmente si è valutato l’ambiente termico che lo strumento incontrerà durante le fasi operative in orbita attorno a Mercurio. A tal fine è stato sviluppato un modello matematico in grado di valutare, per le possibili stagioni di Mercurio, i flussi solare, di albedo e planetario incidenti su una superficie orbitante attorno al pianeta secondo l’orbita e l’assetto nominali previsti per il satellite. Lo studio ha reso possibile identificare le orbite maggiormente critiche dal punto di vista termico. Il modello matematico implementato può essere applicato anche a studi riguardanti altre missioni di osservazione planetaria e consente di effettuare agevolmente studi di sensibilità dei flussi orbitali incidenti ai parametri orbitali o di assetto. Il modello matematico implementato permette inoltre di valutare l'angolo di incidenza solare rispetto agli assi ottici dei tre strumenti e ha consentito di identificare le condizioni maggiormnete critiche alla illuminazione solare diretta fornendo vincoli di progetto per le geometrie dei paraluce (baffle) degli strumenti. Le geometrie dei baffle della attuale configurazione prevista dal progetto sono state verificate all'ingresso diretto di raggi solari in orbita grazie alla implementazione di algoritmi di ray-cating ed è stato fornito un corrispettivo margine angolare per ciascun baffle. Successivamente sono stati sviluppati dei modelli termici, con approccio a parametri concentrati, dei baffle dei tre canali di SIMBIO-SYS utilizzando il software ESARAD/ESATAN, stimando così le potenze termiche scambiate, la distribuzione delle temperature e le prestazioni del sottosistema in termini di capacità di reiezione del calore. E' stato approfondito lo studio del baffle riflettente di tipo Stavroudis del canale ad alta risoluzione ed è stata individuata la geometria ottimale per la modellazione con gli attuali software commerciali disponibili di analisi termica. Questo studio ha condotto inoltre alla individuazione di criteri per la valutazione delle prestazionidel baffle Stavroudis utili a guidare il progetto di un apparato sperimentale per la caratterizzazione delle prestazioni del baffle.L'attività di ricerca è poi proseguita con il dimensionamento a livello di sistema di un apparato sperimentale finalizzato a riprodurre a terra l'ambiente termico incontrato dallo strumento in orbita attorno Mercurio. Esso è concepito per riprodurre all'interno di una camera termo vuoto l'andamento dei flussi solare e infrarosso incidenti sullo strumento e le interfacce radiative e conduttive della strumentazione con il satellite, tenendo conto della orientazione dello strumento durante il moto orbitale rispetto alle sorgenti di radiazione. I modelli matematici sviluppati e le analisi termiche eseguite hanno fornito le specifiche di progetto dell'apparato sperimentale ed utili dati numerici per la definizione del simulatore a livello di sistema. I metodi di analisi e di progetto sviluppati hanno contribuito alla definizione di efficienti sistemi di riduzione degli effetti termici per la strumentazione SIMBIO-SYS.