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Tipo do documento: Dissertação
Título: Simulação térmica e geração de energia de um CubeSat
Título(s) alternativo(s): Thermal simulation and energy generation of a CubeSat
Autor: SANTANA, André Luís Rodrigues 
Primeiro orientador: SOUZA, Francisco Das Chagas de
Primeiro coorientador: MORSCH FILHO, Edemar
Primeiro membro da banca: SOUZA, Francisco Das Chagas De
Segundo membro da banca: MORSCH FILHO, Edemar
Terceiro membro da banca: MOREIRA, Edvan
Quarto membro da banca: SERRA, Ginalber Luiz de Oliveira
Resumo: CubeSat é um satélite padrão baseado nas dimensões de um cubo com 10 × 10 × 10 cm, a respeito do qual a academia e indústria já realizaram várias missões de sucesso na última década e ainda apresentam significativo potencial de crescimento nos próximos anos. No espaço, esses pequenos satélites devem sobreviver no ambiente de vácuo, com intensa variação de temperatura e gradiente térmico, normalmente acima de 60◦C e, em alguns minutos, abaixo de -30◦C. Um dos subsistemas críticos do CubeSat é o controle térmico, que mantém a estabilidade da temperatura entre as faixas operacionais dos subsistemas. Outro subsistema, igualmente, critico é o sistema de potência, responsável pela geração de energia elétrica utilizada durante a órbita. Esta dissertação se concentra na simulação térmica e de potência de um CubeSat 1U típico. A simulação de transferência de calor divide-se entre os modelos de irradiância e térmico. O modelo de irradiância determina a magnitude das fontes de calor, as quais são constituídas pela radiação solar, albedo, e emissão infravermelho da terra; tais fontes dependem do modelo de atitude (apontamento do CubeSat), órbita (dinâmica orbital), e altitude (distância vertical). A partir da variação do modelo, investiga-se diferentes cenários térmicos enfrentados pelo CubeSat ao longo da órbita. Em seguida, para investigar a transferência de calor no espaço, um modelo térmico baseado no Método dos Volumes Finitos (FVM) é estruturado, utilizando o modelo de irradiância como condição de contorno nas superfícies externas do painel solar. No total, cinco órbitas são simuladas: máxima exposição solar com eclipse (MES-0), máxima exposição solar sem eclipse (MES-90), tombamento com eclipse ("detumbling" DET-0), tombamento sem eclipse ("detumbling" DET-90), e máxima exposição ao eclipse acoplado em um tubo de calor (MES-0-HP). Além disso, reconhecendo-se que o calor é uma fonte de energia, neste trabalho simula-se um gerador termoelétrico (TEG) acoplado ao CubeSat, avaliando o potencial do TEG para geração de energia. Os resultados indicam que os diferentes cenários da órbita impactam a geração de energia e controle térmico do CubeSat, sendo essencial à previsão das condições térmicas para o projeto de pequenos satélites. Durante as simulações térmicas, considera-se no modelo um tubo de calor (HP) entre os painéis solares, melhorando a geração de energia e desempenho do painel fotovoltaico e gerador termoelétrico, em comparação com simulações sem o tubo de calor. Entretanto, as simulações mostram que a potência do gerador termoelétrico ainda é baixa. Ademais, as simulação evidenciam o impacto das resistências de contato (RTC) sob a temperatura e geração de energia do CubeSat.
Abstract: CubeSat is a standard satellite based on the dimensions of a cube with 10 × 10 × 10 cm, about which academia and industry have already carried out several successful missions in the last decade and still have significant growth potential in the coming years. In space, these small satellites must survive in the vacuum environment, with intense temperature variation and thermal gradient, usually above 60◦C and, in a few minutes, below -30◦C. One of the critical subsystems of CubeSat is thermal control, which maintains temperature stability between the operational bands of the subsystems. Another equally critical subsystem is the power system, responsible for generating electrical energy used during the orbit. This dissertation focuses on the thermal and power simulation of a typical CubeSat 1U. The heat transfer simulation is divided between the irradiance and thermal models. The irradiance model determines the magnitude of heat sources, which are made up of solar radiation, albedo, and infrared emission from the earth; such sources depend on the attitude model (Pointing of CubeSat), orbit (orbital dynamics), and altitude (vertical distance). From the variation of the model, different thermal scenarios faced by CubeSat along the orbit are investigated. Then, to investigate heat transfer in space, a thermal model based on the Finite Volumes Method (FVM) is structured, using the irradiance model as a contour condition on the external surfaces of the solar panel. In total, five orbits are simulated: maximum solar exposure with eclipse (MES-0), maximum sun exposure without eclipse (MES-90), detumbling with eclipse (DET-0), detumbling without eclipse (DET-90), and maximum exposure to the eclipse coupled to a heat tube (MES-0-HP). In addition, recognizing that heat is an energy source, this work simulates a thermoelectric generator (TEG) coupled to the CubeSat, evaluating the potential of TEG for power generation. The results indicate that the different scenarios of the orbit impact the power generation and thermal control of CubeSat, being essential to predict the thermal conditions for the design of small satellites. During thermal simulations, a heat tube (HP) between solar panels is considered in the model, improving the power generation and performance of the photovoltaic panel and thermoelectric generator, compared to simulations without the heat pipe. However, the simulations show that the power of the thermoelectric generator is still low. In addition, the simulations show the impact of contact resistances (RTC) on the temperature and power generation of CubeSat.
Palavras-chave: CubeSat;
Gerador Termoelétrico;
Simulação de Potência;
Simulação Térmica;
Tubo de Calor.
CubeSat;
Thermoelectric Generator;
Power Simulation;
Thermal Simulation;
Heat Pipe.
Área(s) do CNPq: Satélite
Engenharia Aeroespacial
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal do Maranhão
Sigla da instituição: UFMA
Departamento: DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DA ELETRICIDADE/CCET
Programa: PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AEROESPACIAL/CCET
Citação: SANTANA, André Luís Rodrigues. Simulação térmica e geração de energia de um CubeSat. 2023. 159 f. Dissertação (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Aeroespacial/CCET) - Universidade Federal do Maranhão, São Luís, 2023.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: https://tedebc.ufma.br/jspui/handle/tede/tede/5208
Data de defesa: 28-Fev-2023
Aparece nas coleções:DISSERTAÇÃO DE MESTRADO - PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AEROESPACIAL (PPGAero)

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