Date of Award

11-2024

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Mohamed Okasha

Second Advisor

Erwin Sulaeman

Third Advisor

Abdul-Halim Jallad

Abstract

This thesis investigates the thermal management techniques of AlAinSat-1 during extremely harsh space conditions. It presents a comprehensive analysis of its thermal behavior using numerical techniques and validates the CubeSat's survivability in space via experimental testing. AlAinSat-1 is a nanocube-shaped satellite carrying Earth observation payloads, including RITA (Remote sensing and Interference detector with radiome-Try and vegetation Analysis) and Locana. Understanding how the CubeSat behaves in harsh space conditions and maintains thermal stability during its mission is critical to its success. The main aim of this study is to employ finite element analysis (FEA) techniques to simulate the thermal behavior of AlAinSat-1 and then validate the simulated results via experimental testing. However, the validation of simulated results against experimental ones was not achieved due to unexpected circumstances that prevented us from conducting a thermal balance test. Therefore, a different but approved approach to validation is followed. The thermal analysis is conducted using Siemens NX’s (Next Generation) software. The CubeSat is modeled and analyzed following a series of stages, including idealization, meshing, assigning thermal properties, assembly, and setting up boundary conditions to examine the satellite's temperature response to environmental conditions. The worst hot and cold scenarios are simulated to predict the limits of CubeSat’s functionality for the success of its mission. Simulated results show that AlAinSat-1 can survive extremely harsh space conditions because its components operate within the operational temperature range. Bakeout and thermal vacuum cycling tests are conducted on AlAinSat-1 using a small Thermal Vacuum Chamber (TVAC) to validate its survivability in space, ensuring it operates within the designated operational temperature limits. The bakeout test lasts 5 hours at 50°C to remove any volatile contaminants from the CubeSat’s sensitive components, avoiding outgassing materials. Results showed a 0.1% total mass loss, which indicates the test's success. On the other hand, the thermal vacuum cycling test is conducted for four cycles at the range of -20°C and +50°C for a dwell time of 1 hour for each cycle. The thermal vacuum cycling test results are used to check if the components of AlAinsat-1 are operating within the operational range as the simulated results suggest. The results of the experimental testing agreed with the simulated results; both show that the components of AlAinSat-1 operate within their operational temperature limits.

Arabic Abstract


تحليل وتصميم والتحقق التجريبي من النظام الحراري للقمر الصناعي المكعب العين سات-1

تتناول هذه الأطروحة تقنيات إدارة الحرارة لقمر العين سات - 1 خلال الظروف القاسية جدا في الفضاء. تقدم تحليلا شاملا لسلوكه الحراري باستخدام تقنيات عددية وتتحقق من قدرة القمر الصناعي المكعب من البقاء في الفضاء من خلال الاختبارات التجريبية العين سات-1 هو قمر صناعي صغير على شكل مكعب يحمل حمولات لمراقبة الأرض، بما في ذلك ريتا (RITA) (مستشعر عن بعد وكاشف للتداخل مع تحليل الراديو وقياس الغطاء النباتي) ولوكنا (Locana). يُعتبر فهم كيفية تصرف القمر الصناعي في الظروف القاسية في الفضاء والمحافظة على استقراره الحراري أثناء مهمته أمرًا حاسمًا لنجاحه الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو استخدام تقنيات تحليل العناصر المحدودة (FEA) لمحاكاة السلوك الحراري للعين سات - 1 ومن ثم التحقق من صحة نتائج المحاكاة من خلال الاختبارات التجريبية. ومع ذلك، لم يتم تحقيق التحقق من النتائج المحاكاة مقارنة بالنتائج التجريبية بسبب ظروف غير متوقعة حالت دون إجراء اختبار التوازن الحراري. لذلك، تم اتباع نهج مختلف، ولكن معتمد للتحقق. تم إجراء التحليل الحراري باستخدام برنامج Siemens NX (الجيل الجديد). يتم تصميم القمر الصناعي وتحليله باتباع سلسلة من المراحل، بما في ذلك التبسيط، وإجراء عملية التشبيك، وتحديد الخصائص الحرارية، والتجميع، وإعداد الظروف الحدودية لفحص استجابة درجة حرارة القمر الصناعي للظروف البيئية. تم محاكاة أسوأ السيناريوهات الحرارية الباردة والحارة لتوقع حدود وظيفة القمر الصناعي لضمان نجاح مهمته أظهرت نتائج المحاكاة أن العين سات - 1 يمكنه البقاء في ظروف الفضاء القاسية جدا لأن مكوناته تعمل ضمن نطاق درجة الحرارة التشغيلية. تم إجراء اختبارات الخبز (Bakeout) ودورات التفريغ الحراري (Thermal Vacuum Cycling) على العين سات - 1 باستخدام غرفة تفريغ حرارية صغيرة (TVAC) للتحقق من بقائه في الفضاء والتأكد من عمله ضمن حدود درجات الحرارة التشغيلية المحددة. استمر اختبار الخبز لمدة 5 ساعات عند درجة حرارة 50oC لإزالة أي ملوثات متطايرة من المكونات الحساسة للقمر الصناعي، مما يمنع تصاعد المواد الغازية. أظهرت النتائج فقدانًا إجماليًا في الكتلة بنسبة 0.1%، مما يدل على نجاح الاختبار. من ناحية أخرى، تم إجراء اختبار دورات التفريغ الحراري لأربع دورات في نطاق 20oC إلى +50oC مع وقت استقرار لمدة ساعة واحدة لكل دورة تم استخدام نتائج اختبار دورات التفريغ الحراري لفحص ما إذا كانت مكونات العين سات-1 تعمل ضمن النطاق التشغيلي كما أشارت نتائج المحاكاة. وافقت نتائج الاختبار التجريبي مع نتائج المحاكاة؛ حيث أظهرت كلاهما أن مكونات العين سات-1 تعمل ضمن حدود درجات الحرارة التشغيلية الخاصة بها.

Download
COinS