Análise do efeito do ângulo beta no comportamento térmico de um CubeSat 2U em LEO para atitude nadir

Abstract

Satélites artificiais desempenham papéis essenciais em comunicação, monitoramento, navegação e observação da Terra. Nesse contexto, os nanossatélites destacam-se por sua acessibilidade, devido ao tamanho compacto e ao custo reduzido. Em tais sistemas, o controle térmico é um fator crítico para garantir a operação adequada dos componentes, sendo uma etapa fundamental na análise de missão por meio de simulações numéricas do ambiente espacial. Com o objetivo de investigar os efeitos preliminares da órbita — em especial, do ângulo β — sobre o comportamento térmico de um satélite, este trabalho apresenta uma simulação térmica de um CubeSat 2U utilizando o software Ansys Thermal Desktop, que permite integrar modelos térmicos detalhados às condições orbitais reais. Dentre os principais resultados, destaca-se a variação do fluxo de radiação incidente sobre o CubeSat em função do ângulo β. O maior valor de fluxo foi registrado para β = 72◦, enquanto o menor ocorreu para β = 0◦, este último associado ao maior período de eclipse da órbita. A temperatura máxima simulada foi de 312,6 K para β = 72◦, enquanto a mínima foi de 270,3 K para β = 0◦. Essas variações são refletidas diretamente nos perfis térmicos dos componentes internos do satélite, evidenciando a relevância de considerar a variação do ângulo β em análises térmicas de CubeSats. Além disso, foi realizada uma simulação considerando a ausência de dissipação de energia interna, a qual demonstrou uma diferença significativa nos perfis de temperatura — com variações superiores a 10 K em alguns componentes — ressaltando a importância desse fator na modelagem térmica de nanossatélites. Os dados obtidos em simulações térmicas fornecem subsídios para o desenvolvimento de estratégias de controle térmico, contribuindo diretamente para a confiabilidade e o sucesso da missão.

Artificial satellites play essential roles in communication, monitoring, navigation, and Earth observation. In this context, nanosatellites stand out for their accessibility, due to their compact size and reduced cost. In such systems, thermal control is a critical factor to ensure the proper operation of components and represents a fundamental step in mission analysis through numerical simulations of the space environment. Aiming to investigate the preliminary effects of orbit—particularly the β angle—on the thermal behavior of a satellite, this work presents a thermal simulation of a 2U CubeSat using the Ansys Thermal Desktop software, which integrates detailed thermal models with realistic orbital conditions. Among the main results, the variation of incident radiation flux as a function of the β angle is highlighted: the highest flux occurred at β = 72◦, while the lowest was observed at β = 0◦, corresponding to the longest eclipse period. The maximum simulated temperature was 312.6, K for β = 72◦, and the minimum was 270.3, K for β = 0◦. These variations directly impact the thermal profiles of the satellite’s internal components, demonstrating the importance of considering β angle variation in CubeSat thermal analyses. Additionally, a simulation without internal power dissipation revealed temperature differences exceeding 10, K in some components, reinforcing the relevance of this factor in nanosatellite thermal modeling. The results provide valuable input for the development of thermal control strategies, contributing to the mission’s reliability and success.