Ascent phase thermal study of stratospheric balloon-borne payloads
Authors:   , Fernández Soler Alejandro José 
Published: April 2024

Stratospheric balloons are highly relevant platforms for space missions to achieve scientific objectives. These platforms are becoming increasingly important because they can place payloads at an altitude above almost 99 % of the atmosphere, where the environmental conditions are very similar to those in space, at much lower cost than traditional spacecraft.

From a thermal point of view, due to the combination of relative wind speed and the harsh thermal environment, during the ascent phase of this type of mission, the on-board equipment can reach the lowest temperatures of the entire mission, Therefore, thermal analyses of the ascent phase are essential and their results significantly contribute to the thermal design.

Thermal modelling and analysis of stratospheric balloon instruments usually involves the development of a Geometric Mathematical Model and a Thermal Mathematical Model using space-specific software such as ESATAN-TMS or THERMICA, based on the Lumped Parameter Method. However, it is not easy to implement convection in this type of software, as experimental correlations from different authors are often used (which can lead to misuse of these correlations, as there may be Rayleigh ranges in which no correlation is valid, or a discontinuity may occur if the correlation used is changed. Furthermore, not all correlations are based on the same definition of dimensionless numbers, which can also lead to misuse). Firstly, it is necessary to quantify both the forced convection on the outer surfaces based on the relative air speed and the air properties at all times during the flight. Secondly, it is necessary to apply free convection heat transfer to the internal surfaces in a parametric way to account for changing environmental conditions. Therefore, a detailed study of the ambient thermal conditions must be carried out to obtain the worst conditions, as needed for the thermal design.

Hence, the work developed in this Doctoral Dissertation is divided into two main parts. In the first part, a new methodology based on local databases to define the thermal environment is proposed. The parameters of the thermal environment have been studied to determine the worst - case thermal environment from a thermal point of view, not only the radiative parameters and the air temperature, but also the influence of each parameter on the ascent rate and the horizontal relative wind speed, and their subsequent effect on the temperature of the instruments on board the stratospheric balloon. For this study, an aerodynamic model, where all the thermal environment parameters that govern the thermal interactions are based on local databases, was developed to simulate the ascent phase of the balloon. As an example, the study has been applied to the BEXUS programme launches, which take place in a yearly basis (from September to October) from the European Space Center at Esrange (Sweden). An envelope of maximum and minimum ascent rate profiles was obtained and compared with flight data from eight BEXUS mission flights, with a good agreement. Then, the simulations of the thermal behaviour of a single payload based on the worst-case thermal environment results, have shown a maximum difference temperature (of the payload) of more than 10 degC, depending on the choice of the worst thermal case, demonstrating its relevance.

In the second part, the accuracy of the empirical correlations available for modelling convection have proved to be limited (as above commented), as there is no consistency in the literature for the Rayleigh range expected during the flight. To reduce the uncertainty associated with this fact, environmental chamber tests have been performed to obtain new convective correlations that can be applied throughout the balloon mission.

Finally, the proposed methodology has been applied together with the new correlation on real missions such as TASEC-LAB and SUNRISE III, showing a good agreement between flight data and simulations.

RESUMEN

Los globos estratosféricos son plataformas cada vez más relevantes en misiones espaciales para conseguir objetivos científicos debido a su capacidad para colocar cargas útiles a más del 99% de la atmósfera (en términos de densidad), donde las condiciones ambientales son muy similares a las espaciales, con costes muy inferiores en comparación con los satélites tradicionales.

Desde el punto de vista térmico, debido a la combinación de la velocidad relativa al viento y el entorno térmico adverso, durante la fase de ascenso de este tipo de misiones, los equipos a bordo pueden alcanzar las temperaturas mínimas de toda la misión. Por tanto, el análisis térmico de la fase de ascenso se hace fundamental y sus resultados tienen un gran impacto en el diseño térmico.

La modelización y el análisis térmico de los instrumentos a bordo de los globos estratosféricos suele implicar la creación de un Modelo Matemático Geométrico y Térmico, utilizando programas específicos del sector espacial como ESATAN-TMS o THERMICA, basados en el método de elementos concentrados. Sin embargo, la implementación de la convección en este tipo de programas es muy compleja ya que se suelen emplear correlaciones experimentales de diferentes autores (lo que puede provocar errores en el uso de estas correlaciones, ya que pueden existir rangos de Rayleigh en los que ninguna correlación sea válida, o que al cambiar la correlación usada aparezca una discontinuidad. Además, no todas las correlaciones están basadas en la misma definición para los números adimensionales, dando lugar de nuevo a un mal uso de ellas). Por un lado, es necesario cuantificar la convección forzada en las superficies externas, basándose en la velocidad relativa del aire y en las propiedades del aire durante todo el vuelo. Por otro lado, es necesario parametriza la transferencia de calor por convección libre en las superficies internas, para tener en cuenta los cambios de las condiciones ambientales. Por lo tanto, debe realizarse un estudio en profundidad de las condiciones térmicas ambientales para obtener las condiciones más desfavorables.

El trabajo desarrollado en esta Tesis Doctoral se divide en dos partes principales. En primer lugar, se propone una nueva metodología basada en bases de datos locales para definir el entorno térmico. Se han estudiado los parámetros que lo definen, y la influencia de cada uno de ellos en la velocidad de ascenso, para definir el peor caso de diseño desde el punto de vista térmico, y su posterior impacto en la temperatura de los instrumentos a bordo del globo estratosférico. Para este estudio, se ha desarrollado un modelo dinámico para simular la fase de ascenso del globo, en el que todos los parámetros del entorno térmico se han obtenido de bases de datos locales. Como ejemplo, se ha particularizado el estudio para los lanzamientos del programa BEXUS, efectuados cada año entre los meses de septiembre y octubre desde Esrange (Suecia). Se ha obtenido una envolvente de perfiles de velocidad de ascenso máxima y mínima, que se ha comparado con los datos de vuelo de ocho misiones BEXUS, obteniendo una buena concordancia. Las simulaciones del comportamiento térmico de una carga de pago simple han mostrado una diferencia de temperatura superior a 10 K dependiendo de la selección del peor caso térmico, demostrando su impacto.

En segundo lugar, las correlaciones empíricas disponibles en la literatura para modelar la convección han resultado limitantes ya que, para el rango de Rayleigh esperado durante el vuelo, no existe una consistencia entre dichas correlaciones. Para reducir la incertidumbre asociada a este hecho, se han realizado ensayos en cámara ambiental para obtener una nueva correlación convectiva que pueda aplicarse a lo largo de la misión del globo.