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il PROGETTO


Uno sguardo all'interno


Tra le tecniche di controllo termico per le applicazioni spaziali i sistemi passivi sono sicuramente tra i dispositivi più interessanti. I sistemi passivi possono contare su molti vantaggi come l’assenza di sistemi di pompaggio, una manutenzione più semplice e meno frequente, dimensioni ridotte e un costo generalmente più contenuto.

Un esempio di questi dispositivi è la PHP (Pulsating Heat Pipe), l’oggetto principale del nostro esperimento.
La PHP è un semplice tubo di alluminio piegato a serpentina e riempito con un comune fluido refrigerante. Il dispositivo riempito di refrigerante è poi chiuso a formare un circuito. Per un corretto funzionamento deve stare a stretto contatto con una paraffina che funge da dissipatore di calore.

È necessario un piccolo diametro per ottenere il flusso a regime pulsante desiderato: in presenza di gravità il diametro deve essere inferiore ad un diametro critico sotto il quale il dispositivo non può funzionare. In condizioni di micro-gravità invece possiamo aumentare le dimensioni del diametro anche oltre il diametro critico, il che teoricamente può consentire un aumento delle prestazioni della PHP. U-PHOS intende provare l’aumento di prestazioni di una PHP in condizioni di milli-gravità e validare il dispositivo per l’uso in larga scala in ambito spaziale.

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L’esperimento consta di un numero consistente di parti: stiamo lavorando per far sì che l’hardware e il software siano in perfetta sintonia in modo da ottenere tutte le informazioni necessarie a provare l’efficienza del sistema.

Foto U-Phos-003

Meccanica


L’esperimento avrà successo se saranno registrati dati significativi.
Anche se questo compito è affidato in parte maggiore ai sottosistemi elettronici, il comparto meccanico ha l’importante ruolo di proteggere tutti i delicati componenti dell’esperimento (la PHP, le batterie e tutta l’elettronica di bordo) dai danni che possono essere provocati dalle vibrazioni del lancio o dalle condizioni ambientali.

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Seguendo questi requisiti, il sistema PHP è inserita in una scatola metallica a tenuta stagna in modo da prevenire perdite; le schede elettroniche di bordo sono contenute anch’esse in scatole metalliche (chiamate “data handling box”) fissate sulla paratia centrale il più vicino possibile alla scatola dell’esperimento.

Il team che si occupa della meccanica deve anche occuparsi della disposizione di ogni singolo componente all’interno del modulo del razzo, considerando le criticità di ciascuna parte (surriscaldamento dell’elettronica, disposizione dei connettori e dei cavi…).

Sia la PHP che la paraffina sono contenuto in una scatola di alluminio, chiamata “experiment box”. La scatola è a tenuta stagna in modo da prevenire qualsiasi perdita di paraffina che potrebbe risultare pericolosa per gli altri esperimenti contenuti nel razzo.

Inoltre la PHP ha bisogno di essere riscaldata per entrare in funzione: questo compito è affidato a riscaldatori ceramici messi a contatto con le anse della serpentina che costituisce la PHP. Questi riscaldatori sono alimentati da un pacco batterie connesso alla paratia centrale.

La paratia è l’unico elemento di connessione tra l’esperimento e il modulo del razzo: è un disco metallico fissato al modulo tramite supporti.

Come i sottosistemi elettronici, anche l’unità di controllo di potenza deve essere protetta e quindi inserita in una scatola denominata “power management box”. Questa scatola è simile alla “data handling box” ed è disposta vicino al pacco batteria in modo da interfacciare questi due elementi in maniera più efficiente.

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Elettronica


L’elettronica è necessaria al controllo dell’intero esperimento: gestisce la potenza termica per la PHP, acquisisce dati e li trasmette a terra durante il volo.

La piattaforma hardware scelta è la TS-7200, una scheda che monta un processore ARM A9 e diverse interfacce di input/output.

Infatti tutte le componenti elettroniche dell’esperimento sono collegate alle interfacce di questa scheda scambiando informazioni con questa.

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L’unità principale di misurazione della temperatura (i dati sulla temperatura sono essenziali per una buona caratterizzazione della PHP) è costituita da un set di fibre ottiche che fungono da sensori di temperatura. In più vengono registrati dati riguardanti la pressione, la potenza erogata alla PHP e l’accelerazione a cui l’esperimento è soggetto.

Com’è strutturata l’elettronica?

Alla base dell’elettronica c’è una scheda madre commerciale (la TS-7200), denominata MCU (Main Control Unit), che ha il compito di gestire la timeline dell’esperimento (quindi l’esatto momento in cui accendere o spegnere l’esperimento), di controllare tutte le altre schede elettroniche e di inviare i dati al controllo di terra. Per svolgere quest’ultimo compito la scheda interagisce con il modulo radio di REXUS tramite un’apposita interfaccia.

Il modulo REXUS è integrato nel razzo e condiviso da tutti gli esperimenti: consente di comunicare via radio con il controllo di terra e di dare l’impulso di inizio e di fine esperimento.

Inoltre la MCU ha il compito di acquisire i dati, misurare la pressione del fluido della PHP ed interagire con la SBI (Single Board FBG Interrogator), una scheda di concezione innovativa che permette di utilizzare la fibra ottica come sensore di temperatura.

Per compiere le misurazioni, la SBI stimola alcuni sensori FBG (Fiber Bragg Grating, fibra a reticolo di Bragg) che sono inseriti in due fibre ottiche disposte in un’apposita configurazione attorno alla PHP, assicurando un’efficiente reiezione ai disturbi, una buona integrazione ed ottime performance per quanto riguarda la misura del gradiente termico.

Infine, utilizziamo una scheda dedicata alla distribuzione della potenza elettrica a tutte le schede ed ai riscaldatori: la PDU (Power Distribution Unit).

L’elettronica è interamente alimentata dalla potenza generata dal modulo REXUS; invece la potenza elettrica impiegata dai riscaldatori è fornita da un apposito pacco batterie.

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Software


Il software deve sotto stare ad alcuni vincoli: primo fra tutti, deve essere affidabile! Abbiamo solo un tentativo per centrare il bersaglio! Secondariamente deve poter essere eseguito a bordo del razzo (e non in un “computer” qualsiasi) per cui deve essere creato in modo da essere in grado di operare in un ambiente limitato.

Il software è diviso in due moduli principali: il software a terra e il software a bordo.

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Software di terra

Sarà eseguito su un computer nella stanza di controllo messa a disposizione da ESA. Lo scopo di questo software è quello di ricevere i dati inviati a terra dall’esperimento. Questo software controlla l’integrità dei dati in ricezione, rigetta quelli corrotti, archivia i dati corretti e fornisce una rappresentazione grafica dell’andamento in tempo reale dell’esperimento.

Software a bordo

È gestito dalla scheda TS-7200 che monta un processore ARM A9 e diverse interfacce di input/output in modo da controllare tutte le componenti elettroniche dell’esperimento.
Questa scheda riceve i segnali dalla unità centrale di raccolta dati riguardo alla temperatura, pressione, potenza erogata alla PHP e l’accelerazione su 3 assi a cui la PHP è soggetta.
Questi segnali, una volta ricevuti, sono inviati al controllo di terra attraverso il modulo di comunicazione radio di REXUS.

Rendering


Experiment_Assembly_1
Experiment_Assembly_2
PHP_Assembly_and_Experiment_Box_Cap
PHP_Assembly
Battery_Pack
Experiment_Box