Desenvolvimento de modelo orbital e térmico de nanossatélite 2U em órbita baixa da terra

Abstract

O objetivo do trabalho foi criar um código de análise em Python, independente de softwares comerciais, para prever a órbita, a orientação e as temperaturas dos componentes do satélite. A metodologia foi fundamentada no desenvolvimento de um código que acopla modelos físicos de mecânica do voo espacial, dinâmica de corpo rígido e transferência de calor, utilizando a hipótese de resistências térmicas globais. Foram analisados cinco casos de estudo com diferentes modelos de atitude em duas órbitas distintas, uma a 500 km e outra a 1000 km de altitude. Os resultados foram validados por comparação com o software GMAT da NASA e com dados de voo reais do nanossatélite Swisscube, mostrando-se consistentes. As análises demonstraram que o tipo de órbita e a orientação do satélite são fatores críticos. Órbitas que passam por períodos de eclipse resultam em uma ciclagem térmica severa nos componentes externos, com variações de temperatura que podem superar os 35 °C nos substratos dos painéis solares. Em contrapartida, órbitas heliossíncronas (com exposição solar constante) geram temperaturas médias mais elevadas e variações menores, o que pode representar um risco térmico se os componentes operarem acima de seus limites. O estudo também revelou que a atitude do satélite é fundamental; diferentes orientações em uma mesma órbita expõem faces com propriedades radiativas distintas (absortividade e emissividade), alterando drasticamente o balanço térmico geral. Os casos que simularam uma rotação no satélite (seja controlada ou descontrolada) mostraram que o giro ajuda a uniformizar a temperatura entre as faces externas, embora os componentes internos, como as PCBs, não apresentem oscilações rápidas devido à sua alta inércia térmica. Uma análise de sensibilidade foi crucial para a validação, demonstrando que a alta condutividade térmica do silício, inicialmente utilizada no modelo, era a principal causa para as pequenas diferenças de temperatura entre os painéis. Ao ajustar este valor para um nível mais realista, as variações de temperatura simuladas aumentaram significativamente, alinhando-se melhor com os dados da literatura. O trabalho conclui que o modelo desenvolvido é uma ferramenta robusta e acessível para as fases iniciais do projeto de nanossatélites. Ele permite uma análise detalhada dos impactos térmicos de diferentes órbitas e orientações, sendo essencial para prever o comportamento do satélite e garantir o sucesso da missão.

Abstract: The presents the development and validation of a numerical model for the orbital and thermal analysis of a 2U CubeSat-type nanosatellite. The objective of the work was to create an analysis code in Python, independent of commercial software, to predict the satellite?s orbit, orientation, and component temperatures. The methodology was based on the development of a code that couples physical models of space flight mechanics, rigid body dynamics, and heat transfer, using the global thermal resistance hypothesis. Five case studies with different attitude models were analyzed in two distinct orbits, one at 500 km and another at 1000 km altitude. The results were validated through comparison with NASA?s GMAT software and with actual flight data from the Swisscube nanosatellite, proving to be consistent. The analyses demonstrated that the orbit type and satellite orientation are critical factors. Orbits that pass through eclipse periods result in severe thermal cycling on external components, with temperature variations that can exceed 35°C on the solar panel substrates. In contrast, heliosynchronous orbits (with constant sun exposure) generate higher average temperatures and smaller variations, which can pose a thermal risk if components operate above their limits. The study also revealed that the satellite?s attitude is fundamental; different orientations in the same orbit expose faces with distinct radiative properties (absorptivity and emissivity), drastically altering the overall thermal balance. The cases simulating satellite rotation (whether controlled or uncontrolled) showed that the spinning motion helps to uniformize the temperature among the external faces, although internal components like the PCBs do not exhibit rapid oscillations due to their high thermal inertia. A sensitivity analysis was crucial for validation, demonstrating that the high thermal conductivity of silicon, initially used in the model, was the primary cause for the small temperature differences between the panels. By adjusting this value to a more realistic level, the simulated temperature variations increased significantly, aligning better with literature data. The work concludes that the developed model is a robust and accessible tool for the initial design phases of nanosatellites. It allows for a detailed analysis of the thermal impacts of different orbits and orientations, which is essential for predicting the satellite?s behavior and ensuring mission success.