Scheda programma d'esame
THERMAL MANAGEMENT OF SPACECRAFT SYSTEM
MAURO MAMELI
Academic year2023/24
CourseAEROSPACE ENGINEERING
Code1136I
Credits6
PeriodSemester 1
LanguageEnglish

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
THERMAL MANAGEMENT OF SPACECRAFT SYSTEMING-IND/10LEZIONI60
SAURO FILIPPESCHI unimap
MAURO MAMELI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Lo studente che completa con successo l’intero percorso di questo corso acquisirà una conoscenza degli elementi fondamentali sul controllo termico dei satelliti, e delle principali strategie di progettazione. Egli avrà una solida conoscenza dei principi fisici di scambio termico in ambiente spaziale (conduzione e irraggiamento) e li saprà applicare per definire la dinamica termica di un satellite. Egli conoscerà inoltre i principali metodi numerici per ottenere la soluzione delle equazioni che caratterizzano la gestione termica del satellite e saprà implementarli tramite lo sviluppo e l’utilizzo di un programma di calcolo. Lo studente conoscerà i principali elementi utilizzati per la gestione termica di un satellite e li saprà selezionare durante il processo di progettazione termica di una missione spaziale.

Knowledge

The student who successfully completes the course will acquire knowledge of the fundamental elements of the satellite thermal control system and its design strategies. He will have a robust understanding of the heat transfer physical principles of the space environment (conduction and radiation) and will know how to apply them to define the thermal dynamic response of a satellite. He will know the main numerical methods to solve the characterizing equations and will learn how to implement them through the development of a computer code. The student will know the main elements used for the thermal management of a satellite and will know how to select them during the thermal design process of a space mission.

Modalità di verifica delle conoscenze

Lo studente sarà valutato singolarmente sulla sua capacità di discutere il progetto di fine anno e i maggiori contenuti del corso usando un linguaggio chiaro e una metodologia appropriata. Lo studente dovrà esporre con chiarezza i concetti generali del corso e deve essere abile di collegare differenti argomenti del corso sia da un punto di vista teorico che applicativo.

Assessment criteria of knowledge

The student will be individually assessed on his/her ability to discuss the final year project and the main course contents using the appropriate vocabulary (technical jargon). The student  must clearly explain the general concepts of this course and must be able to connect theory and applications. 

Methods: Final oral exam

Capacità

Lo studente che completerà il corso con successo acquisirà:

  • Conoscenze di base dell’ambiente termico spaziale in cui opera un satellite e del suo sistema di controllo termico (TCS).
  • Conoscenze approfondite sull’irraggiamento e il calore scambiato per conduzione e irraggiamento con alcune soluzioni numeriche.
  • Competenze di base di programmazione in ambiente Matlab per l’interpretazione e l’ulteriore sviluppo autonomo di un codice per la simulazione termica dinamica di un piccolo satellite.
  • Capacità di svolgere analisi termiche preliminari e simulazioni di casi studio con il codice matlab sviluppato.
  • Abilità di analisi dei risultati numerici e del loro confronto con dati misurati in casi reali.
  • Consapevolezza sulla ricerca attuale nel campo delle nuove soluzioni termiche per applicazioni spaziali.
  • Capacità di redigere rapporti sui risultati in modo sintetico e coerente.
Skills

The student who successfully completes the course will acquire

  • a basic knowledge of the spacecraft thermal environment and Thermal Control System (TCS).
  • Fundamentals of transient heat conduction and radiation problems and their numerical solution.
  • Coding basic skills for the interpretation and further development of a Matlab® software for the dynamic thermal simulation of a small spacecraft.
  • Ability to perform preliminary thermal analysis and simulations on actual case studies in different configurations by means of the developed Matlab code.
  • Ability to interpret numerical results and critically compare them with real data.
  • Awareness on the present research on passive thermal control technologies for spacecraft systems.
  • Ability to report results coherently and concisely.
Modalità di verifica delle capacità

Lo studente sarà valutato sulla sua capacità di progettazione termica preliminare di un satellite di piccole dimensioni nella cornice di una missione spaziale.

Assessment criteria of skills

The student will be assessed on his/her ability to preliminary thermal design of a small spacecraft in the framework of a realistic space mission.

 

Comportamenti

Lo studente dovrà partecipare attivamente alle lezioni. Lo studente dovrà responsabilmente concludere i compiti assegnati durante il corso. Egli dovrà essere capace di analizzare i problemi in autonomia e di proporre soluzioni che da discutere in gruppi di lavoro. Egli dovrà adattare il proprio comportamento alla risoluzione dei diversi problemi tecnici incontrati durante il corso.

Behaviors

The student should busily attend the lessons. The student should complete the assigned homeworks with responsibility. He should be capable of solving the problems alone and proposing solutions that must be discussed among the working team. He should adapt own behaviour to circumstances in solving problems faced during the course.

Modalità di verifica dei comportamenti

Lo studente sarà valutato sulla sua capacità di partecipare attivamente alle lezioni (chiedendo dettagli, individuando eventuali errori nei materiali didattici, commentando le soluzioni proposte dal docente e in ultima istanza, calcolare in autonomia i principali parametri tecnici dell’esercitazioni pratiche). Lo studente sarà valutato sulla sua capacità di lavorare in gruppo durante le esercitazioni e durante lo sviluppo del progetto d’esame.

Assessment criteria of behaviors

The student will be assessed on his/her ability to actively collaborate during the lessons (asking details, checking the eventual errors in the teaching materials, commenting the solutions proposed by teacher and lastly, calculating the main technical parameters during the exercise sessions). The student will be assessed on his/her ability to work in team during the exercise sessions and during the development of the final year project.

Prerequisiti (conoscenze iniziali)
  • Analisi matematica: Siano appresi i concetti di: funzione (anche a più variabili), limite, derivata, integrale, Trigonometria, Equazioni differenziali lineari.
  • Fisica: Misura delle grandezze fisiche e unità di misura. analisi dimensionale. Principi ed equazioni fondamentali della meccanica.
  • Algebra: Grandezze scalari e vettoriali. Elementi fondamentali del calcolo vettoriale.
  • Termodinamica Applicata: termodinamica di base e fondamenti di scambio termico (conduzione, convezione e irraggiamento).
Prerequisites
  • Mathematics: The student should know the basic concepts of: functions (even with more variables), limit, derivative, integral, trigonometry and the linear differential equations:
  • Physics: Main physical parameter measurement and measurement unit definition. Dimensional analysis. Principles and fundamentals of: mechanics and energy.   
  • Algebra: scalar and vector parameters. Fundamentals of the operation with vectors and matrix.
  • Applied Thermodynamics: Classic Thermodynamics and fundamentals of heat transfer (conduction, convection and radiation)
Corequisiti

Sarebbe auspicabile la conoscenza della meccanica del volo spaziale.

Co-requisites

Knowledge of Spaceflight Mechanics is strongly advised.

Prerequisites for further study

N/A

Indicazioni metodologiche

Lezione frontale (frequenza fortemente consigliata), esercizi al computer con MatlabÒ.

Teaching methods

Interactive lessons by means of power point presentations and electronic blackboard alternated by practice lessons where the students develop their own matlab subroutines. (Attendance is strongly recommended).

Programma (contenuti dell'insegnamento)
  • Introduction (~5hrs): course overview, context and motivation, course objectives, definition of thermal control systems and their classification, overview of available modeling simulation tools, introduction to Matlab®, Exercise session.
  • Space thermal environments (~8 hrs): heat loads overview and definitions, spacecraft orbit definition, Exercise session, Sun position vector, Homework session, Eclipse model, Exercise session, Satellite topology, Exercise session, Satellite spin, Homework session.
  • Radiation (~5 hrs): electromagnetic waves and spectrum, mathematical definitions, emitted and incident radiation, radiosity, blackbody, Plank, Wien and Stefan-Boltzmann Laws, emissivity, absorptivity, reflectivity, transmissivity, Kirchoff’s Law, Surface treatments, Exercise session.
  • Radiative Heat Transfer (~10 hrs): view factors, Exercise session, solar/albedo/earth heat exchange calculations, Homework session, radiative heat exchange in a n-surface cavity, Exercise session, internal radiation applied to a cube-sat, Homework session.
  • Multimode transient heat transfer (~12 hrs): recap on heat equation, finite difference methods, space domain (forward, backward, centered), time domain (explicit, implicit), stability criteria, application of 1D explicit FD method to the multimode (conduction, radiation, convection) heat equation, thermal contact resistances, Exercise session, solution of the multimode heat equation, Homework session, implementation of the stability criterion, Homework session.
  • Spacecraft Thermal Design (~3 hrs): criteria, requirements, phases.
  • Final project development (~15 – 20 hrs).
Syllabus
  • Introduction (~5hrs): course overview, context and motivation, course objectives, definition of thermal control systems and their classification, overview of available modeling simulation tools, introduction to Matlab®, Exercise session.
  • Space thermal environments (~8 hrs): heat loads overview and definitions, spacecraft orbit definition, Exercise session, Sun position vector, Homework session, Eclipse model, Exercise session, Satellite topology, Exercise session, Satellite spin, Homework session.
  • Radiation (~5 hrs): electromagnetic waves and spectrum, mathematical definitions, emitted and incident radiation, radiosity, blackbody, Plank, Wien and Stefan-Boltzmann Laws, emissivity, absorptivity, reflectivity, transmissivity, Kirchoff’s Law, Surface treatments, Exercise session.
  • Radiative Heat Transfer (~10 hrs): view factors, Exercise session, solar/albedo/earth heat exchange calculations, Homework session, radiative heat exchange in a n-surface cavity, Exercise session, internal radiation applied to a cube-sat, Homework session.
  • Multimode transient heat transfer (~12 hrs): recap on heat equation, finite difference methods, space domain (forward, backward, centered), time domain (explicit, implicit), stability criteria, application of 1D explicit FD method to the multimode (conduction, radiation, convection) heat equation, thermal contact resistances, Exercise session, solution of the multimode heat equation, Homework session, implementation of the stability criterion, Homework session.
  • Spacecraft Thermal Design (~3 hrs): criteria, requirements, phases.
  • Final project development (~15 – 20 hrs).
Bibliografia e materiale didattico

[1] Gilmore G., Spacecraft Thermal Control Handbook, Vol 1: Fundamental Technologies, The Aerospace Press, El Segundo California, 2002.

[2] Mengali G., Quarta A., Fondamenti di Meccanica del Volo Spaziale, Pisa University Press, 2013.

[3] Incropera F.P., Dewitt D.P., Bergman T.L., Lavine A.S., Fundamental of Heat and Mass Transfer, 6th edition, 2007, Wiley.

[4] Thornton E.A., Thermal Structures for Space Applications, AIAA Education Series, 1996.

[5] VanOutryve, B. C., A Thermal Analysis and Design tool for Small Spacecraft, MSc Thesis in Mechanical and Aerospace Eng., SJSU ScholarWorks, San Jose, CA, 2008.

[6] ECSS-E-HB-31-03A, Space Engineering Thermal Analysis Handbook, ECSS Secretariat, ESA-ESTEC Requirements and Standard Division, Noordwijk, The Netherlands, 15 November 2016.

[7] AFRL-20222564, Small Satellite Thermal Modeling Guide, Air Force Research Laboratory, Space Vehicles Directorate, AFRL/RVSV, 3550 Aberdeen Dr. SE, Kirtland AFB, NM 87117-5776, July 2022.

- Powerpoint Slides and audio/video recordings of the lessons.

Bibliography

[1] Gilmore G., Spacecraft Thermal Control Handbook, Vol 1: Fundamental Technologies, The Aerospace Press, El Segundo California, 2002.

[2] Mengali G., Quarta A., Fondamenti di Meccanica del Volo Spaziale, Pisa University Press, 2013.

[3] Incropera F.P., Dewitt D.P., Bergman T.L., Lavine A.S., Fundamental of Heat and Mass Transfer, 6th edition, 2007, Wiley.

[4] Thornton E.A., Thermal Structures for Space Applications, AIAA Education Series, 1996.

[5] VanOutryve, B. C., A Thermal Analysis and Design tool for Small Spacecraft, MSc Thesis in Mechanical and Aerospace Eng., SJSU ScholarWorks, San Jose, CA, 2008.

[6] ECSS-E-HB-31-03A, Space Engineering Thermal Analysis Handbook, ECSS Secretariat, ESA-ESTEC Requirements and Standard Division, Noordwijk, The Netherlands, 15 November 2016.

[7] AFRL-20222564, Small Satellite Thermal Modeling Guide, Air Force Research Laboratory, Space Vehicles Directorate, AFRL/RVSV, 3550 Aberdeen Dr. SE, Kirtland AFB, NM 87117-5776, July 2022.

- Powerpoint Slides and audio/video recordings of the lessons.

Indicazioni per non frequentanti

E’ possibile sostenere l’esame da non frequentante. Il candidato verrà comunque assegnato ad un gruppo di lavoro per lo svolgimento del progetto di fine anno e sarà quindi tenuto ad interfacciarsi autonomamente con i membri del gruppo per stabilire il suo contributo al progetto.

Non-attending students info

The candidate who is impeded to attend the lessons is allowed to take the exam but he/she will be assigned to a work team in any case. He/she will autonomously keep up to date with his team mates with whom he/she will agree upon his/her contribution for the development of the final year project.

Modalità d'esame

Metodo: Rapporto scritto (progetto di fine anno) ed esame orale.

L* student* dovrà redigere una relazione scritta che descrive il processo di progettazione termica di un piccolo satellite sulla base dei requisiti di missione e i risultati delle simulazioni termiche. I contenuti minimi della relazione dovranno essere: descrizione del contesto e degli obiettivi, della scelta dei parametri di progetto termici e la loro implementazione nel codice di calcolo, la descrizione della procedura e dei parametri di simulazione, i risultati numerici della simulazione corredati da grafici, l’interpretazione di tali risultati alla luce degli obiettivi di missione e le conclusioni contenenti eventuali proposte per miglioramento o sviluppi futuri. Gli studenti potranno poi decidere opzionalmente di presentare i risultati in sede di esame con una presentazione di massimo 20 diapositive.

L* student* sarà valutato singolarmente sulla sua capacità di discutere il progetto di fine anno e i maggiori contenuti del corso usando un linguaggio chiaro e una metodologia appropriata. Lo studente dovrà esporre con chiarezza i concetti generali del corso e deve essere abile di collegare differenti argomenti del corso sia da un punto di vista teorico che applicativo.

Assessment methods

Methods: Written report (final year project) and oral exam.

The student must prepare a document (final year report) describing the thermal design process of a small spacecraft based on the requirements of a realistic mission and the results of the thermal simulations. The minimal contents of the final year project documentation shall be: description of the context and objectives, choice of the thermal design relevant parameters and their implementation in the simulation software, description of the simulation parameters and procedure, the numerical results and related plots, the results analysis and discussion in the light of the mission objectives/requirements and the conclusions with eventual future development proposals. Students are encouraged (optional) to relate their final year project during the oral exam by means of a presentation (max 20 slides).

The student will be individually assessed on his/her ability to discuss the final year project and the main course contents using the appropriate vocabulary (technical jargon). The student  must clearly explain the general concepts of this course and must be able to connect theory and applications. 

Stage e tirocini

N/A

Work placement

N/A

Updated: 26/10/2023 16:32