Simulare il Caldo e Freddo nello Spazio: Vi Racconto il Nostro Software MFLSS

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi dietro le quinte di un aspetto affascinante e, diciamocelo, fondamentale dell’ingegneria spaziale: il controllo termico dei satelliti. Avete mai pensato a quanto sia difficile tenere “al fresco” (o “al caldo”, a seconda dei casi) un veicolo spaziale che se ne va a spasso nell’orbita terrestre? Beh, vi assicuro che è una bella sfida!

L’Importanza Vitale del Controllo Termico

Immaginate il vostro satellite: è lassù, bombardato dalla luce solare diretta, dal riflesso della Terra (l’albedo) e dalla radiazione infrarossa emessa dal nostro pianeta. In più, tutta l’elettronica di bordo produce calore. Se le temperature salgono o scendono troppo, addio strumentazione, addio missione! Ecco perché il sistema di controllo termico (TCS) è un sottosistema vitale, che interagisce praticamente con tutto il resto a bordo. Il suo compito? Mantenere ogni componente entro i suoi limiti di temperatura operativa, sia quando lavora a pieno regime sia quando è in “stand-by”.

Per progettare un TCS efficace, servono analisi, simulazioni e test rigorosi. Si tratta di modellare come il calore si muove all’interno del satellite e come viene scambiato con l’ambiente esterno. Questi modelli si basano su equazioni differenziali e richiedono la conoscenza precisa di proprietà come massa, capacità termica, conduttività, emissività e assorbività di ogni singolo pezzetto del satellite.

I Giganti del Software e la Necessità di Agilità

Nel nostro campo, esistono software commerciali potentissimi che ci aiutano a fare queste analisi dettagliate. Nomi come ESATAN-TMS, Thermal Desktop, Thermica sono lo standard industriale, soprattutto nelle fasi avanzate di progettazione. Sono strumenti incredibilmente accurati, flessibili, con ottime capacità di visualizzazione.

Però, c’è un “ma”. Questi software possono essere costosi, richiedono tempo per costruire modelli complessi e, diciamocelo, all’inizio di un progetto, quando stai ancora esplorando diverse idee e configurazioni, potrebbero essere un po’ “troppo”. Hai bisogno di qualcosa di più snello, più rapido, per fare quelle che chiamiamo “trade studies”, cioè valutazioni comparative veloci tra diverse opzioni.

La Nostra Risposta: Nasce MFLSS

Ed è qui che entriamo in gioco noi, con il nostro strumento “fatto in casa”: il MFLSS (Monophasic Fluid Loop Simulation Software). Attenzione, non vogliamo sostituire i colossi commerciali! Il nostro obiettivo è diverso: avere un tool agile, basato su un semplice foglio di calcolo Excel, per ottenere stime rapide delle temperature nelle primissime fasi del progetto.

Abbiamo sviluppato un modello MFLSS con 13 “nodi”. Immaginate ogni nodo come un componente chiave del satellite (la payload, parti del pannello radiante, il fluido termovettore, persino lo spazio profondo!). Il software calcola gli scambi di calore tra questi nodi per conduzione e radiazione, tenendo conto anche dell’apporto del Sole e del calore dissipato internamente. La particolarità del MFLSS è che simula un loop fluido monofasico, un circuito in cui scorre un liquido che trasporta il calore dai componenti caldi verso i radiatori, che poi lo disperdono nello spazio.

Il bello di MFLSS è la sua semplicità d’uso. Abbiamo fogli separati per inserire le proprietà dei nodi (assorbività, emissività, area, dissipazione iniziale), le “conduttanze” per la conduzione tra nodi, quelle per la radiazione e l’impatto solare. In poco tempo, possiamo avere una prima idea delle temperature medie dei componenti.

Come Funziona (in Breve)?

Senza entrare troppo nei dettagli matematici (che comunque si basano sull’equilibrio energetico e metodi come quello delle differenze finite, simile ad altri tool come ThermXL o SatTherm), il concetto è questo:

• Ogni nodo ha un bilancio energetico: calore che entra (dal Sole, dalla Terra, da altri nodi, dall’elettronica interna) e calore che esce (irraggiato verso lo spazio o verso altri nodi).
• La conduzione trasferisce calore tra nodi a contatto diretto (come tra un componente elettronico e la sua piastra di montaggio).
• La radiazione scambia calore tra superfici che si “vedono”, anche senza contatto fisico.
• Il loop fluido è speciale: il calore viene trasferito al fluido, che poi si sposta. La temperatura di un “nodo fluido” dipende da quella del nodo fluido immediatamente a monte e dal calore scambiato con le pareti del tubo.

Il nostro modello include anche un concetto interessante: il by-pass ratio (BP). In pratica, possiamo decidere quanta parte del fluido passa attraverso il circuito di raffreddamento (che scambia calore con i radiatori) e quanta invece lo “salta” (by-pass). Questo ci permette di regolare attivamente la temperatura.

Messo alla Prova: MFLSS vs ESATAN-TMS

Ma come sapere se il nostro “piccoletto” MFLSS è affidabile? L’abbiamo messo alla prova confrontando i suoi risultati con quelli di uno dei software commerciali di riferimento, ESATAN-TMS. Abbiamo usato lo stesso modello a 13 nodi, definendo tutte le proprietà termiche, le matrici di conduzione e radiazione, e l’impatto solare.

Abbiamo eseguito le simulazioni con MFLSS e ESATAN-TMS variando due parametri chiave:

• La dissipazione interna del componente principale (la payload), considerandola al 100%, 75% e 50% del suo massimo (1961.5 W nel nostro caso).
• Il by-pass ratio (BP), testando 5 valori diversi (0.01, 0.25, 0.5, 0.75, 0.85). Un BP basso significa massimo raffreddamento, un BP alto significa minimo raffreddamento.

I Risultati? Sorprendentemente Buoni!

Ebbene, i risultati sono stati estremamente incoraggianti! Confrontando le temperature calcolate dai due software per ogni nodo e per tutte le condizioni testate, abbiamo scoperto che le previsioni di MFLSS erano molto vicine a quelle di ESATAN-TMS. La differenza massima riscontrata è stata di soli 1.5 °C o meno!

Questo ci dice che, per lo scopo per cui è stato creato (stime rapide in fase preliminare), MFLSS fa egregiamente il suo lavoro. Abbiamo osservato, come ci aspettavamo, che:

• Aumentando il rapporto di by-pass (BP), le temperature dei componenti elettronici salgono (perché meno fluido passa dal radiatore).
• Diminuendo la dissipazione interna, le temperature scendono.

Ad esempio, con dissipazione al 100% e un BP molto alto (0.85, quasi nessun raffreddamento), la temperatura della payload ha raggiunto quasi 113 °C, un valore troppo alto per la maggior parte dell’elettronica (che di solito non supera gli 85 °C). Questo evidenzia come il controllo del BP sia cruciale per mantenere le temperature nei limiti corretti. Con BP bassi (0.01, massimo raffreddamento), le temperature rimanevano ben gestibili anche al 100% di dissipazione (circa 49 °C per la payload).

Perché MFLSS è Utile?

Questo studio dimostra il potenziale di uno strumento come MFLSS. Non sostituirà mai l’analisi dettagliata fatta con software commerciali nelle fasi finali, ma offre vantaggi innegabili all’inizio:

• Velocità: Ottenere risultati rapidi permette di esplorare molte più opzioni di design in meno tempo.
• Semplicità: L’interfaccia basata su Excel è intuitiva e non richiede un training complesso.
• Costo: È uno strumento sviluppato internamente, senza costi di licenza.
• Ottimizzazione: È ideale per studi parametrici, per capire rapidamente come diverse scelte (materiali, geometrie, flussi) influenzano le temperature.

In Conclusione

Sviluppare e validare strumenti come MFLSS è un passo importante per rendere la progettazione dei sistemi di controllo termico più agile ed efficiente, soprattutto per progetti con budget o tempi ristretti, come quelli relativi a piccoli satelliti o CubeSat, sempre più diffusi. Ci permette di fare scelte informate fin dall’inizio, gettando basi solide per le analisi più dettagliate che seguiranno. È un piccolo pezzo del grande puzzle che ci permette di esplorare lo spazio in sicurezza!

Fonte: Springer