There has been an increasing interest in CubeSat missions due to its small size, low cost and
flexibility to accommodate different payloads. New missions with highly temperature sensitive
payloads, increased power dissipation (by continuous miniaturization of electronic components
and systems) and reduced radiating surfaces lead the thermal loads issues into a bigger challenge. One of the causes of failure in a satellite in space is the temperature peaks suffered
during a full orbital cycle. Therefore, proper thermal control system design and test should be
performed to guarantee the reliability of a spacecraft prior to launch.
3-AMADEUS is a unity CubeSat currently being developed in a partnership between CEiiA and
UBI. The purpose of this mission is to demonstrate that a attitude determiner and control system exclusively magnetic is able to provide a three axis orbital attitude for the nanosatellites.
The present work aims to perform thermal analysis to 3-AMADEUS CubeSat in order to ensure its
survival as soon as it is placed in orbit. Therefore, it is required the understand the main heat
transfer processes within a satellite, conduction and radiation, in order to validate the current
methodologies used for thermal analysis. Hence, with the purpose of developing thermal models
with higher reliability, two experiments were devised to be performed in a vacuum environment.
The first experimental test consists in a study of heat exchange between two aluminum plates
through radiation, using an infrared lamp as a heat source. Three distance configurations between plates and two lamp types were tested to comparison. This would emulate, for example,
the heat transmission between different components within the satellite. Regarding the conduction experiment, most nano and micro satellites are composed of stacked PCBs, held together by
spacers and rods and linked to the main structure. This is the primary mean to conduct the heat
from the different components to the external radiating surfaces. A high thermal resistance is
associated with the interface between the PCB and the spacers, which is an unknown parameter
with a high impact on the thermal analysis. Therefore, a second experiment is carried out to
study thermal contact resistance (or conductance) between them.
In parallel, finite element software (MSC Nastran) is used to carry out a numerical study of the
same experiments. The temperature distribution results of both numerical and experimental
solutions were then compared, and the results were discussed. It was concluded that the results obtained in both experiments, in general, presented a good agreement. Finally, with the
results obtained in the numerical simulations and using the validated methodology, a steady
state thermal analysis was performed to 3-AMADEUSTem havido um crescente interesse nas missões e na obtenção de dados através da utilização
de CubeSats. Estes, devido à sua dimensão e baixo custo têm uma grande flexibilidade em
acomodar diferentes cargas úteis. No entanto, novas missões com cargas úteis e componentes
altamente sensíveis à temperatura, o aumento da dissipação de energia (pela miniaturização
de componentes e sistemas eletrónicos) e superfícies irradiadoras reduzidas levam a possíveis
problemas térmicos. Uma das causas para a falha de um satélite em órbita são os picos de temperatura sofridos durante um ciclo orbital completo. Portanto, o projeto e o teste adequados do
sistema de controlo térmico devem ser realizados, de forma a garantir a fiabilidade do satélite
antes do seu lançamento de modo a reduzir a possibilidade de falha.
O 3-AMADEUS é um CubeSat de uma unidade que está atualmente a ser desenvolvido numa
parceria entre o CEiiA e a UBI. O propósito desta missão é demonstrar que um sistema de determinação e controlo de atitude exclusivamente magnético, pode ser capaz de fornecer atitude
orbital de três eixos para os nanossatélites. O presente trabalho tem como objetivo efetuar
análises térmicas ao 3-AMADEUS CubeSat para confirmar a sua sobrevivência assim que for colocado em órbita. Para isso, é necessário analisar os principais processos de transferência de calor
num satélite, condução e radiação, de forma a validar as metodologias atualmente utilizadas
para as análises térmicas. Assim, com o objetivo de desenvolver modelos térmicos com maior
fiabilidade, foram realizadas duas experiências em vácuo.
O primeiro teste experimental consiste num estudo da troca de calor entre duas placas de
alumínio através de radiação, usando uma lâmpada de infravermelhos como fonte de calor.
Foram testadas três configurações de distância entre as placas e dois tipos de lâmpadas para
comparação. Este teste simularia, por exemplo, a transmissão de calor entre diferentes componentes dentro do satélite. Relativamente à condução, a maioria dos nano e microssatélites são
compostos de PCBs empilhadas, mantidas juntas por espaçadores e varões roscados, conectados
à estrutura principal. Esta é a principal forma de conduzir calor dos componentes para as superfícies irradiadoras. Associada à interface entre a PCB e os espaçadores, existe uma resistência
térmica que é um parâmetro desconhecido com grande impacto nas análises térmicas. Desta
forma, foi realizado uma segunda experiência para estudar a resistência térmica de contacto
(ou condutância) entre uma PCB e espaçadores.
Paralelamente, o software de elementos finitos (MSC Nastran) é usado para realizar um estudo
numérico das mesmas experiências. Os resultados da distribuição de temperatura das soluções
numéricas e experimentais foram então comparados e os resultados foram discutidos. Finalmente, com os resultados obtidos durante os testes foi realizada uma análise térmica em estado
estacionário ao 3-AMADEUS CubeSat
