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Oct 17, 2023

Modelagem Térmica de Pequenos Satélites

Nos últimos anos, houve um aumento dramático no número de satélites em órbita. Uma parte significativa deste aumento deve-se ao menor tamanho dos satélites mais recentes. Apesar de

Nos últimos anos, houve um aumento dramático no número de satélites em órbita. Uma parte significativa deste aumento deve-se ao menor tamanho dos satélites mais recentes. Embora a maior estrutura em órbita, a Estação Espacial Internacional, seja maior que um campo de futebol, a maioria dos satélites em órbita hoje tem um tamanho muito mais próximo de uma bola de futebol. Isso se deve em parte à popularidade do formato CubeSat, com o chamado satélite 1U cabendo em um envelope de 10 cm x 10 cm x 10 cm. O pequeno tamanho possibilita o lançamento de vários satélites a partir de um único foguete. Embora originalmente concebido para fins principalmente acadêmicos, existe agora um ecossistema comercial robusto que fornece soluções de design que variam de 1U a 24U — e o uso de CubeSats está crescendo a um ritmo notável.

Uma das características dos designs do CubeSat (e de outros designs de pequenos satélites) é que eles são muito compactos. Muitas câmeras miniaturizadas, sensores, instrumentos, antenas, baterias, sistemas de controle de atitude e outros componentes eletrônicos estão compactados e podem gerar calor residual. Projetar o satélite para irradiar adequadamente esse calor para o espaço circundante é uma das principais preocupações da engenharia. Os engenheiros devem garantir que os vários componentes eletrônicos permaneçam dentro de determinadas faixas de temperatura, mas isso pode ser um desafio, pois os gradientes térmicos podem levar a deformações estruturais indesejáveis. Como é muito difícil realizar qualquer tipo de teste de pré-voo verdadeiramente realista, o processo de projeto depende fortemente de modelagem numérica.

Uma vez que o satélite esteja em órbita, pode ser tentador pensar que o modelo numérico não é mais necessário, mas isso não é verdade. Os componentes falharão, muitas vezes por razões desconhecidas, e os componentes eletrônicos restantes poderão precisar ser acionados em combinações imprevistas. O operador de satélite ainda necessita do modelo térmico para prever o comportamento nessas circunstâncias, com o objetivo de aumentar a vida útil operacional (Figura 1).

Todos os modelos numéricos envolvem a resolução de uma aproximação das equações governantes que descrevem a transferência de calor. Eles podem variar desde modelos muito simples até modelos de fidelidade quase total que incluem muitos dos aspectos geométricos e físicos. O modelo numérico mais simplista reduziria a complexidade geométrica da estrutura do satélite e calcularia apenas, de forma agregada, uma única temperatura ao longo do tempo para o satélite. A partir daí, seria possível trabalhar na introdução de variações de temperatura em vários subsistemas ou componentes do satélite. Isso exigiria que o analista numérico introduzisse muitas aproximações, suposições e cálculos separados em seu modelo.

Por outro lado, um modelo de fidelidade total baseia-se diretamente no design CAD e adota a abordagem oposta. Ao começar diretamente com o projeto CAD, grande parte da tediosa validação e verificação manual de cada simplificação que entra em um modelo reduzido é evitada. É claro que trabalhar diretamente com o CAD levará a um custo computacional maior: um modelo numérico baseado em CAD subdividirá a geometria do satélite em milhares, ou mesmo milhões, de diferentes elementos computacionais, portanto há uma compensação.

Historicamente falando, a abordagem de modelagem concentrada tinha muitas vantagens. Os computadores costumavam ser relativamente lentos, portanto, fazer com que o analista numérico gastasse tempo reduzindo semimanualmente a complexidade computacional era importante para obter resultados rapidamente. Esta abordagem ainda é relevante para a modelação de estruturas muito grandes, como a Estação Espacial Internacional, mas para pequenos satélites - especialmente à medida que os custos computacionais continuam a cair - torna-se agora cada vez mais atraente começar no outro extremo do espectro de modelação.

Na prática, um analista térmico desejará trabalhar em algum lugar no espectro entre um modelo totalmente simplificado e um modelo de fidelidade total. Por exemplo, pode ser desejável substituir a descrição CAD de cada parafuso e fixador por uma resistência térmica concentrada na superfície entre os componentes unidos. Da mesma forma, pode fazer sentido reduzir um componente eletrônico, como um chip ou bateria, a um bloco de material com propriedades médias e dissipação interna.