Numerical methods for computing the temperature distribution in satellite systems

Abstract

[ANGLÈS] The present thesis has been done at ASTRIUM company to find new methods to obtain temperature distributions. Current software packages such as ESATAN or ESARAD provide not only excellent thermal analysis solutions, at a high price as they are very time consuming though, but also radiative simulations in orbit scenarios. Since licenses of this product are usually limited for the use of many engineers, it is important to provide new tools to do these calculations. In consequence, a different approach for thermal analysis, by means of a MATLAB program, is searched since this software is very affordable in use for different kinds of engineers. As the method requires data previously generated by the professional packages mentioned above, an introductory training to these tools was needed to perform a first solution. Afterwards, as the work considers the problem of solving the heat equation as a PDE, analytical and numerical techniques were investigated to find the best strategy to solve it. The context of the thesis is based on the LISA mission, whose characteristics are detailed at the introductory section. The LISA model is used to perform thermal analysis and evaluate the simulated results. Previously, a simple model like a heating bar was used to put into practice the reliability of the method. Finally, by a combination of ESATAN and MATLAB tools, the procedure was established and tested giving excellent results in terms of time execution and good values in terms of relative error. As a result, a methodology has been developed providing good temperature distributions for thermal networks, hence, being very useful for engineers to study the impact of external perturbations in a thermal system.

[CASTELLÀ] La presente tesis se ha hecho en la empresa ASTRIUM para buscar nuevos métodos de los que obtener distribuciones de temperatura. Los paquetes de software actuales tales como ESATAN o ESARAD no solo proporcionan excelentes soluciones de análisis térmico, aunque a un precio muy alto ya que consumen mucho tiempo, sino que también permiten obtener simulaciones radiativas en condiciones de órbita. Debido a que las licencias de este producto están normalmente limitadas para el uso de muchos ingenieros, es importante proporcionar nuevas herramientas para hacer estos cálculos. Como resultado, se investiga una aproximación diferente al análisis térmico por medio de MATLAB, ya que es un software de uso asequible para una gran variedad de ingenieros. Como la metodología requiere datos previamente generados por el paquete profesional mencionado anteriormente, fue necesaria una formación introductoria a esta herramienta para llevar a cabo una primera solución. Después, como el trabajo considera el problema de resolver la ecuación del calor en forma de PDE, se tuvieron que investigar técnicas analíticas y numéricas para encontrar la mejor estrategia que la resolviera. El contexto de la tesis se basa en la misión LISA, las características de la cual están detalladas en la sección introductoria. El modelo LISA se ha utilizado para realizar el análisis térmico y evaluar los resultados de la simulación. Anteriormente, un modelo sencillo como una barra calentada fue utilizado para poner en práctica la fiabilidad del método. Finalmente, por una combinación de las herramientas ESATAN y MATLAB, el procedimiento fue establecido y probado dando excelentes resultados en términos de tiempo de ejecución y buenos valores en términos de error relativo. Como resultado, una metodología ha sido desarrollada proporcionando buenas distribuciones de temperatura para redes térmicas, sirviendo de gran utilidad a los ingenieros para estudiar el impacto de perturbaciones externas en un sistema térmico.

[CATALÀ] La present tesi s'ha fet a l'empresa ASTRIUM per buscar nous mètodes dels quals obtenir distribucions de temperatura. Els paquets de software actuals tals com ESATAN o ESARAD no només proporcionen excel·lents solucions d'anàlisi tèrmica, encara que a un preu molt alt ja que consumeixen molt temps, sinó que també permeten realizar simulacions radiatives en condicions d'òrbita. A causa que les llicències d'aquest producte estan normalment limitades per a l'ús de molts enginyers, és important proporcionar noves eines per fer aquests càlculs. En conseqüència, s'investiga una aproximació diferent a l'anàlisi tèrmica per mitjà de MATLAB, ja que és un software d'ús assequible per a una gran varietat d'enginyers. Com la metodologia requereix dades prèviament generades pel paquet professional esmentat anteriorment, va ser necessària una formació introductòria a aquesta eina per desenvolupar una primera solució. Després, com el treball considera el problema de resoldre l'equació de la calor com una PDE, es van haver d'investigar tècniques analítiques i numèriques per trobar la millor estratègia que la resolgués. El context de la tesi es basa en la missió LISA, les característiques de la qual es detallen en la secció introductòria. El model LISA s'ha utilitzat per realitzar l'anàlisi tèrmica i avaluar els resultats de la simulació. Anteriorment, un model simple com una barra escalfada es va utilitzar per posar en pràctica la fiabilitat del mètode. Finalment, com a combinació de les eines ESATAN i MATLAB, el procediment va ser establert i provat donant excel·lents resultats en termes de temps d'execució i bons valors en termes d'error relatiu. Com a resultat, s'ha desenvolupat una metodología proporcionant bones distribucions de temperatura per a xarxes tèrmiques, servint de gran utiitat als enginyers per estudiar l'impacte de pertorbacions externes en un sistema tèrmic.