@MastersThesis{Roque:2022:MoTeOr,
author = "Roque, Rafael dos Santos",
title = "Optical solar reflector degradation: modelling, testing and
orbital data evaluation",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2022",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2022-02-15",
keywords = "satellite thermal control, thermal coatings, degradation, controle
t{\'e}rmico de sat{\'e}lites, revestimentos t{\'e}rmicos,
degrada{\c{c}}{\~a}o.",
abstract = "The orbital environment is very challenging to space vehicles and
for this reason, good thermal management is a requirement to make
them able to accomplish their intended mission. Satellite thermal
control systems (TCS) design has to account for the inherent wear
caused by the harsh environment they are immersed into. Their
conception needs to provide means for them to endure the intended
lifespan of the mission. Space radiators are key components that
allow internally produced excess heat to be dissipated to deep
space through radiation, whereas limiting the entrance of
undesired external heat loads such as from the Sun. Radiators are
coated with special finishings that allow selective heat transit.
Unfortunately, when degraded those coatings have a reduced
capacity for limiting Sun radiation absorption because their
optical absorptivity \α tends to increase through time.
Therefore, TCS design has to account for radiators critically
reduced capacity that occurs in end-of-life. For this reason, the
use of more stable coatings with reduced degradation rates is
convenient to make radiators closely adequate to begin-of-life
phase. Such attribute allows power savings with reduced need for
electrical heating. OSR materials have these characteristics, but
their inherent high fabrication variability makes their
performance prediction a difficult task since no single
established analysis method that currently exists stands out. An
in-flight equipment (OSRA) was conceived, tested for space
qualification and then integrated to CBERS 04A as the first
Brazilian in-flight experiment for degradation assessment of
radiator thermal coatings in real space conditions. Four samples
compose the OSRA: white paint, black anodized and two OSR produced
at INPE by two alternative technologies. Both analytical
simplified nodal model and detailed numerical thermal mathematical
model (TMM) with Sinda/Thermal Desktop RADCAD tool have been
developed. The analytical model was used to perform preliminary
analysis and enhance thermal behaviour understanding of the flight
specimen. The detailed TMM was created to reproduce with better
precision the assembly geometry and all internal couplings to
account for possible heat deviations from basic thermal balance
analytical equations. OSRA passed the Thermal Balance Test (TBT).
Such TBT was recreated using a dedicated TMM version and then
calibrated with the test results. Main internal parameters have
been identified. A flight version of the TMM was refined with
first telemetry data acquired after CBERS 04A has been launched in
December 2019. The problem of \α assessment through limited
telemetry has revealed to be a more complicated task than
anticipated: some unaccounted uncertainties, mostly in complex
boundary conditions, that could affect the precision of
degradation rates (\Δ\α) identification have been
found. Nevertheless, an attempt to quantify \Δ\α for
the thermal coatings was done. The results are plausible and
explainable. As expected, the OSR \Δ\α are lower than
they are for the white paint. The treatment of two-year telemetry
data from OSRA confirms exponential character of the degradation
curve, i.e. in accordance with similar experiments flown by
different satellites over the World. RESUMO: O ambiente de
{\'o}rbita {\'e} muito desafiador para ve{\'{\i}}culos
espaciais e por isso bom n{\'{\i}}vel de gerenciamento
t{\'e}rmico {\'e} crucial para permiti-los cumprir sua
miss{\~a}o. O design de sistemas de controle t{\'e}rmico (TCS)
de sat{\'e}lites precisa levar em conta o desgaste inerente
causado pelo ambiente hostil em que s{\~a}o imersos. Sua
concep{\c{c}}{\~a}o deve prover meios para que resistam toda a
vida {\'u}til da miss{\~a}o. Radiadores espaciais s{\~a}o
componentes fundamentais que permitem calor em excesso
internamente produzido a ser dissipado para o espa{\c{c}}o
profundo via radia{\c{c}}{\~a}o, enquanto que limita a entrada
de cargas t{\'e}rmicas indesejadas como a que vem do Sol.
Radiadores s{\~a}o revestidos com acabamentos especiais que os
permitem ter capacidade seletiva de tr{\^a}nsito de calor.
Infelizmente, quando degradados estes revestimentos apresentam uma
capacidade reduzida para limitar absor{\c{c}}{\~a}o de
radia{\c{c}}{\~a}o solar porque sua absortividade \α tende
a aumentar com o tempo. Portanto, o projeto de TCS deve levar em
conta a capacidade criticamente reduzida de fim de vida dos
radiadores. Por essa raz{\~a}o, o uso de revestimentos mais
est{\'a}veis com taxas de degrada{\c{c}}{\~a}o reduzidas
s{\~a}o convenientes para fazer os radiadores mais adequados
{\`a} condi{\c{c}}{\~a}o de in{\'{\i}}cio de vida. Tal
atributo permite economia de energia devido a necessidade reduzida
de aquecimento el{\'e}trico. OSRs t{\^e}m tais
caracter{\'{\i}}sticas, mas sua grande variabilidade inerente a
fabrica{\c{c}}{\~a}o faz com que predi{\c{c}}{\~o}es acerca da
sua performance seja um desafio singular, pois n{\~a}o h{\'a}
unicidade nos m{\'e}todos de an{\'a}lise estabelecidos ou alguma
t{\'e}cnica que se destaque sobre as demais at{\'e} o momento.
Um equipamento de voo (OSRA) foi concebido, testado para
qualifica{\c{c}}{\~a}o espacial e ent{\~a}o integrado ao CBERS
04A como o primeiro experimento de voo brasileiro para
avalia{\c{c}}{\~a}o da degrada{\c{c}}{\~a}o de revestimentos
t{\'e}rmicos em condi{\c{c}}{\~o}es espaciais reais. Quatro
amostras comp{\~o}es o OSRA: tinta branca, preto anodizado e duas
de OSR produzidas no INPE usando de tecnologias diferentes. Ambos
modelos anal{\'{\i}}tico simplificado nodal e num{\'e}rico
t{\'e}rmico matem{\'a}tico detalhado (TMM) com a ferramenta
Sinda/Thermal Desktop RADCAD foram desenvolvidos. O modelo
anal{\'{\i}}tico foi usado para executar an{\'a}lises
preliminares e incrementar o entendimento do comportamento
t{\'e}rmico do esp{\'e}cime de voo. O TMM detalhado foi criado
para reproduzir com melhor precis{\~a}o a geometria da montagem e
todos os acoplamentos internos para poder identificar desvios de
calor previstos pelas equa{\c{c}}{\~o}es anal{\'{\i}}ticas
b{\'a}sicas de balan{\c{c}}o t{\'e}rmico. OSRA passou com
sucesso pelo teste de balan{\c{c}}o t{\'e}rmico (TBT). Tal teste
foi recriado em uma vers{\~a}o dedicada do TMM para ser calibrado
com resultados do teste. Par{\^a}metros internos principais
puderam ser identificados. Uma vers{\~a}o de voo do TMM foi
refinada com as primeiras telemetrias dispon{\'{\i}}veis
ap{\'o}s o lan{\c{c}}amento do CBERS 04A em Dezembro de 2019. O
problema de avaliar \Δ\α atrav{\'e}s de telemetria
limitada se mostrou mais complexo do que antecipado: algumas
incertezas que influenciam no comportamento do sistema foram
verificadas, principalmente no que se referem a
condi{\c{c}}{\~o}es de contorno complexas e que v{\^e}m a
afetar a precis{\~a}o das taxas de degrada{\c{c}}{\~a}o
(\Δ\α). Entretanto, uma tentativa de quantificar
\Δ\α para os revestimentos t{\'e}rmicos foi feita. Os
resultados s{\~a}o plaus{\'{\i}}veis e explan{\'a}veis. Como
esperado, \Δ\α para as amostras OSR s{\~a}o menores
do que para a tinta branca. Tratamento de dados de 2 anos de
telemetria vindas do OSRA confirma o car{\'a}ter exponencial da
curva de degrada{\c{c}}{\~a}o, o que est{\'a} de acordo com
experimentos similares j{\'a} voados por outros sat{\'e}lites do
mundo.",
committee = "Sousa, Fabiano Luis de (presidente) and Vladimirovich, Valeri
Vlassov (orientador) and Costa, Rafael Lopes (orientador) and
Silva, Douglas Felipe da and Genaro, Gino and Muraoka, Issamu and
Magalh{\~a}es, Elisan dos Santos",
englishtitle = "Degrada{\c{c}}{\~a}o de materiais refletores {\'o}pticos
solares: modelagem, testes e avalia{\c{c}}{\~a}o de dados de
{\'o}rbita",
language = "en",
pages = "204",
ibi = "8JMKD3MGP3W34T/46DFE7P",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34T/46DFE7P",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "05 jun. 2024"
}