Numerical and experimental methods for design and test of units and devices on BepiColombo Mission

In this thesis work several numerical and experimental methods for design and test of units and devices onboard BepiColombo Mission are studied, implemented and described. BepiColombo Mission is the result of the joined efforts of European Space Agency and Japanese Space Agency: in 2015 two different orbiters (ESA Mercury Planetary Orbiter, MPO, which will support remote sensing and radio-science instrumentation, and JAXA Mercury Magnetospheric Orbiter, MMO) will be launched in the direction of Mercury to study the surface composition and morphology, the geology and the magnetosphere of the planet closest to the Sun. Italy plays an important role in the mission since it is involved in the design and development of the Spectrometer and Imagers for Mpo Bepicolombo Integrated Observatory SYStem (SIMBIO-SYS): this integrated package of instruments includes an imaging system with stereo (STC) and high spatial resolution (HRIC) capabilities along with a hyperspectral imager (VIHI) in the visible and near infrared range. Due to the proximity to the Sun, MPO will face an extremely harsh environment from a thermal point of view, therefore the orbiter, and in particular instrumentation exposed to the thermal fluxes, shall be equipped with sophisticated thermal control devices, such as baffling systems for heat rejection. Starting from the deep knowledge of the thermal scenario in which units and baffles will operate, thanks to the results obtained from detailed thermal and mathematical models, different innovative test-beds have been conceived and designed in order to simulate the environmental thermal fluxes in laboratory. At first, the Structural Thermal Models of SIMBIO-SYS baffles have been tested, subjecting the devices to the environmental infrared fluxes provided by infrared lamps and cold sources in vacuum conditions and assuring different temperature levels on the thermal interfaces of the units; after the test campaign, the thermal mathematical models of the baffles themselves have been validated thanks to the correlation with the experimental results, providing some useful information on the design of the Flight Models of the baffles. Afterwards an original set-up to test the Qualification Model of the Stavroudis baffle of HRIC unit has been designed: during tests, scheduled in January and February 2013, also solar fluxes will be simulated, thanks to CISAS solar simulator, with the aim to qualify the instrument reproducing in vacuum the maximum and minimum operative and non operative temperatures and the most critical heat fluxes (solar and infrared) in sequence. In parallel to this activity, from the need to calibrate and qualify the units in space-like environment simulating the operative conditions, two thermal vacuum chambers have been designed: calibration will be performed for HRIC and STC-VIHI units separately, with and without baffles. The activity started from the comprehension of the instruments calibration requirements and proceeded with the conceptual design of the units, the detailed thermal, structural and electrical design and concluded with the procurement, the assembling and the test activity, which has been performed in order to verify the initial requirements. Thanks to these activities, a series of methods, procedures and techniques, both numerical and experimental, have been developed and validated, with the aim to provide an original and useful contribution to the design and test of SIMBIO-SYS suite onboard BepiColombo mission

L’anno 2015 vedrà l’inizio della missione BepiColombo, promossa dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA) in collaborazione con l’Agenzia Spaziale Giapponese (JAXA): la missione scientifica permetterà di approfondire la conoscenza di Mercurio, il pianeta più interno del Sistema Solare, studiandone la superficie, la composizione interna e il campo magnetico, consentendo inoltre di investigare sulle cause che hanno portato alla nascita dei pianeti e sulla loro evoluzione nel tempo. Il segmento di volo è costituito da 2 satelliti distinti: il Mercury Planet Orbiter (MPO), sotto la diretta responsabilità dell’ESA, che supporta la strumentazione per remote sensing e radioscienza, e il Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), che supporta la strumentazione per lo studio del campo magnetico e che è assegnato al controllo della JAXA. L’Italia riveste un ruolo fondamentale nell’ambito della missione dal momento che l’Agenzia Spaziale Italiana è coinvolta nella progettazione e nello sviluppo della suite SIMBIO-SYS (Spectrometer and Imagers for Mpo Bepicolombo Integrated Observatory SYStem), un pacchetto integrato di strumenti costituito da un sistema per imaging stereo (STC), da un sistema per imaging ad alta risoluzione (HRIC) e da uno spettrometro nel campo delle lunghezze d’onda del visibile e dell’infrarosso (VIHI). A causa della vicinanza del pianeta al Sole, MPO opererà in un ambiente ostile ed estremo dal punto di vista termico, di conseguenza il satellite e la strumentazione saranno dotati di sofisticati sistemi per il controllo termico attivo e passivo (ad esempio sistemi di baffling per la reiezione dei flussi). Partendo dalla comprensione e dalla conoscenza dello scenario termico in cui la strumentazione si troverà ad operare, grazie ai risultati dei modelli matematici previsionali, sono stati ideati e progettati diversi setup sperimentali innovativi al fine di simulare in laboratorio i flussi termici ambientali. Inizialmente è stata condotta una campagna di test sui modelli termo-strutturali (STM) dei baffles di SIMBIO-SYS, sottoponendo i dispositivi al flusso infrarosso planetario, simulato da lampade infrarosse e sorgenti fredde in condizioni di vuoto e assicurando diversi livelli di temperature alle interfacce termiche delle unità. In seguito alla campagna di test, i modelli matematici e termici dei baffles sono stati validati, mediante la procedura di correlazione con i risultati sperimentali; grazie alla validazione, è stato quindi possibile raffinare i modelli termici del modello da volo dei baffles. In secondo luogo è stato ideato e progettato un set-up per testare il Qualification Model del baffle Stavroudis di HRIC: durante i test, in programma per gennaio e febbraio 2013, saranno simulati anche i flussi solari, grazie all’innovativo simulatore solare progettato al CISAS, allo scopo di qualificare lo strumento riproducendo in vuoto le minime e massime temperature operative e non operative e i flussi termici (solare e infrarosso) più critici. All’attività precedentemente descritta è stato affiancato il design di due camere termovuoto che verranno utilizzate in fase di calibrazione e qualifica dei modelli da volo di STC, VIHI e HRIC, con e senza baffles. A partire dall’analisi delle prestazioni degli strumenti e da una serie di requisiti meccanici, termici, elettrici, di vuoto, di cleanliness e contamination, è stato effettuato uno studio di fattibilità, a cui sono seguiti il design preliminare delle camere, una serie di analisi strutturali e termiche di dettaglio (per simulare in camera da vuoto le interfacce meccaniche e termiche degli strumenti), la progettazione elettrica, il procurement dei componenti e l’attività di test sui sistemi progettati, al fine di verificare i requisiti iniziali imposti. Grazie a queste attività, sono stati sviluppati e validati una serie di metodi, procedure e tecniche, sia dal punto di vista numerico che sperimentale, al fine di fornire un contributo utile ed originale alla progettazione e alla verifica della strumentazione della suite SIMBIO-SYS a bordo della missione BepiColombo