Numerical and experimental methods for design and test of units and devices on BepiColombo Mission

L’anno 2015 vedrà l’inizio della missione BepiColombo, promossa dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA) in collaborazione con l’Agenzia Spaziale Giapponese (JAXA): la missione scientifica permetterà di approfondire la conoscenza di Mercurio, il pianeta più interno del Sistema Solare, studiandone la superficie, la composizione interna e il campo magnetico, consentendo inoltre di investigare sulle cause che hanno portato alla nascita dei pianeti e sulla loro evoluzione nel tempo. Il segmento di volo è costituito da 2 satelliti distinti: il Mercury Planet Orbiter (MPO), sotto la diretta responsabilità dell’ESA, che supporta la strumentazione per remote sensing e radioscienza, e il Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), che supporta la strumentazione per lo studio del campo magnetico e che è assegnato al controllo della JAXA. L’Italia riveste un ruolo fondamentale nell’ambito della missione dal momento che l’Agenzia Spaziale Italiana è coinvolta nella progettazione e nello sviluppo della suite SIMBIO-SYS (Spectrometer and Imagers for Mpo Bepicolombo Integrated Observatory SYStem), un pacchetto integrato di strumenti costituito da un sistema per imaging stereo (STC), da un sistema per imaging ad alta risoluzione (HRIC) e da uno spettrometro nel campo delle lunghezze d’onda del visibile e dell’infrarosso (VIHI). A causa della vicinanza del pianeta al Sole, MPO opererà in un ambiente ostile ed estremo dal punto di vista termico, di conseguenza il satellite e la strumentazione saranno dotati di sofisticati sistemi per il controllo termico attivo e passivo (ad esempio sistemi di baffling per la reiezione dei flussi). Partendo dalla comprensione e dalla conoscenza dello scenario termico in cui la strumentazione si troverà ad operare, grazie ai risultati dei modelli matematici previsionali, sono stati ideati e progettati diversi setup sperimentali innovativi al fine di simulare in laboratorio i flussi termici ambientali. Inizialmente è stata condotta una campagna di test sui modelli termo-strutturali (STM) dei baffles di SIMBIO-SYS, sottoponendo i dispositivi al flusso infrarosso planetario, simulato da lampade infrarosse e sorgenti fredde in condizioni di vuoto e assicurando diversi livelli di temperature alle interfacce termiche delle unità. In seguito alla campagna di test, i modelli matematici e termici dei baffles sono stati validati, mediante la procedura di correlazione con i risultati sperimentali; grazie alla validazione, è stato quindi possibile raffinare i modelli termici del modello da volo dei baffles. In secondo luogo è stato ideato e progettato un set-up per testare il Qualification Model del baffle Stavroudis di HRIC: durante i test, in programma per gennaio e febbraio 2013, saranno simulati anche i flussi solari, grazie all’innovativo simulatore solare progettato al CISAS, allo scopo di qualificare lo strumento riproducendo in vuoto le minime e massime temperature operative e non operative e i flussi termici (solare e infrarosso) più critici. All’attività precedentemente descritta è stato affiancato il design di due camere termovuoto che verranno utilizzate in fase di calibrazione e qualifica dei modelli da volo di STC, VIHI e HRIC, con e senza baffles. A partire dall’analisi delle prestazioni degli strumenti e da una serie di requisiti meccanici, termici, elettrici, di vuoto, di cleanliness e contamination, è stato effettuato uno studio di fattibilità, a cui sono seguiti il design preliminare delle camere, una serie di analisi strutturali e termiche di dettaglio (per simulare in camera da vuoto le interfacce meccaniche e termiche degli strumenti), la progettazione elettrica, il procurement dei componenti e l’attività di test sui sistemi progettati, al fine di verificare i requisiti iniziali imposti. Grazie a queste attività, sono stati sviluppati e validati una serie di metodi, procedure e tecniche, sia dal punto di vista numerico che sperimentale, al fine di fornire un contributo utile ed originale alla progettazione e alla verifica della strumentazione della suite SIMBIO-SYS a bordo della missione BepiColombo