Preliminary thermal managment design of a 6U cubesat with a high Power R-LEMA laser experiment payload

Abstract

This work describes thermal analysis of a standard 6U Cubesat whose mission is to carry out tests of Remote Laser Evaporative Molecular Absorption (R-LEMA) spectroscopy, a concept developed under the NASA Innovative Advanced project Concepts (NIAC) program. A conceptual R-LEMA satellite utilizes a 200 W laser, which is 50% efficient. An experiment is performed by firing the laser for 20 seconds, while generating 200 W of waste heat during the active period; the waste heat must then must be dissipated prior to the next laser firing. In order to manage the heat generated by the laser, a 0.06 m² radiator and a Phase Change Material (PCM) block of 100 g of Polyethylene glycol are simulated. A Thermal Mathematical Model is developed for the 6U CubeSat frame with representative R-LEMA components, taking into account several nodes which are treated as clustered systems. The analysis is done through the explicit numerical method of finite differences to obtain graphs of the transient simulation of temperatures of the laser, satellite bus, and of the radiator. From the results, it was concluded that the radiator alone provides thermal management which is sufficient to perform one test per orbit, i.e., a experiments can be conducted at a cadence of 90 minutes, without significant heat accumulation in the spacecraft components. Addition of the PCM allowed the storage of heat of fusion from waste heat, and allowed a cadence of 5 minutes.

O Modelo Matemático Térmico de um nanossatélite leva em consideração vários nós que são tratados como sistemas aglomerados. Neste trabalho, um satélite padrão Cubesat 6U que tem como missão realizar testes de Remote Laser Evaporative Molecular Absorption (R-LEMA) para um projeto da NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) é analisado. Este projeto desenvolve um conceito que permite detectar, através do espectrômetro, a composição de alvos frios do sistema solar a partir de um laser que esquenta tal alvo. O experimento com Laser R-LEMA é executado por 20 segundos produzindo 200W de excesso de calor a ser administrado. A fim de administrar o calor gerado pelo experimento R-LEMA, um radiador de 0.06m² e um bloco de Phase Change Material (PCM) do 100 g de Polyethylene glycol são simulados. A análise é feita através do método numérico explícito das diferenças finitas para obter gráficos da simulação do transiente de temperaturas do laser, bus do satélite e do radiador. Dos resultados, concluiu-se que o radiador sozinho é suficiente para administrar o calor caso realiza-se um teste por órbita, no entanto, o PCM mostrou-se útil ao permitir a realização de mais de um teste por órbita a uma cadencia de 5 minutos.