Cozzolino, Fabio (2015) Progettazione e Sviluppo di un sistema di GSE per il controllo di sensori per applicazioni spaziali. Test e analisi di un rivelatore compatto di polveri per l'ambiente Marziano. [Tesi di dottorato]

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Abstract

Lo sviluppo dello strumento MicroMED ha previsto la progettazione, la realizzazione e i test di un optical particle counter di dimensioni 40 x 36 x 43 mm con basso consumo (1 W) e massa ridotta (500 g), capace di misurare la distribuzione dimensionale e la densità numerica delle polveri in sospensione nell'atmosfera marziana, in vicinanza della superficie e con un intervallo di misura compreso tra 0.2 e 10 µm di raggio. MicroMED è stato progettato per aspirare le particelle situate in sospensione nell'atmosfera di Marte, indirizzarle verso una piccola regione (volume di campionamento) posta all'interno dello strumento e illuminata da un sistema ottico, e determinarne le dimensioni. Sono stati realizzati due prototipi dello strumento. Il primo modello è costituito dalla sola scatola dello strumento, di cui sono state riprodotte fedelmente le dimensioni interne come da disegno, oltre ai condotti di aspirazione (inlet) e di scarico (outlet) e alla pompa. E' stato utilizzato per caratterizzare gli aspetti fluidodinamici del sensore. Il secondo prototipo contiene anche il sistema ottico e l'elettronica di prossimità ed è stato utilizzato per i test funzionali e di calibrazione. Sono stati eseguiti diversi test atti a dimostrare la funzionalità e le prestazioni dell'esperimento. I test che hanno riguardato gli aspetti fluidodinamici di MicroMED hanno avuto lo scopo di verificare il sistema di aspirazione, il regime del flusso (turbolento o laminare) e studiare il moto delle particelle nel flusso. I risultati hanno indicato che MicroMED è capace di aspirare particelle nell'intervallo dimensionale richiesto (0.4-20 m), che il regime del flusso è laminare e che le particelle subiscono una deviazione rispetto alla linea centrale del flusso aspirato dipendente dalla loro dimensione. Tali deviazioni sono comunque minori della dimensione del volume di campionamento per cui tutte le particelle in transito all'interno dello strumento possono essere rilevate. I test hanno confermato i risultati delle simulazioni effettuate in ambiente Fluent. La scheda dell'elettronica di prossimità è stata testata per verificare che la banda passante fosse adeguata alla rilevazione del passaggio di grani aspirati dallo strumento. La differente velocità posseduta dalle particelle incide infatti sui tempi di attraversamento del volume di campionamento e quindi sulla durata del segnale in uscita dal fotodiodo, che viene processato dall'elettronica di prossimità. I risultati dei test dimostrano che il segnale amplificato da entrambi i canali della PE non subisce distorsioni al variare del tempo di attraversamento delle particelle. La PE è quindi adeguata a processare i segnali generati dal rivelatore dello strumento. Le misure eseguite sul sistema ottico hanno permesso di caratterizzare il volume di campionamento dello strumento, ovvero di misurarne la forma, la dimensione e la potenza ottica. Il volume di campionamento ha forma ellittica, l'asse maggiore misura 518 µm e l'asse minore 210 µm, la potenza ottica è di 74.5 mW. Utilizzando i risultati della caratterizzazione è stata ricavata la densità di energia. Tale valore è stato utilizzato come parametro in una simulazione basata sulla teoria di Mie, il cui risultato rappresenta la risposta teorica strumentale di MicroMED. I test funzionali e di calibrazione eseguiti sul secondo prototipo hanno avuto l'obiettivo di studiare la risposta dello strumento al passaggio delle particelle all'interno del volume di campionamento al variare della loro dimensione. Per questi test sono state utilizzate particelle sferiche calibrate con dimensione di: 1.046, 2.043, 4.051, 6.178, 8.496 µm di diametro. I segnali in uscita dallo strumento (in Volt) al variare delle dimensioni dei grani rilevati sono stati confrontati con la risposta strumentale teorica ottenuta a partire dalla teoria di diffusione di Mie. L'accordo tra i dati teorici e sperimentali è ottimo e dimostra la piena funzionalità e rispetto dei requisiti scientifici dello strumento. I test sono stati eseguiti in una camera di simulazione marziana in cui è stato disegnato, installato e testato un sistema di iniezione di particelle. Le operazioni di MicroMED sono state gestite attraverso un sistema di acquisizione, controllo, archiviazione ed elaborazione dei dati (EGSE), realizzato specificatamente per questo strumento. Nel corso del lavoro di dottorato è stato quindi sviluppato, realizzato e testato un sensore capace di misurare la distribuzione dimensionale delle polveri. Il livello tecnologico (TRL) raggiunto, in base alla definizione della NASA, è superiore a 4: è stato realizzato un Elegant Breadboard, validato e testato in laboratorio. Parte dei test sono stati realizzati in condizioni marziane (relevant environment). MicroMED è stato proposto per essere inserito nel pacchetto di strumenti che verranno alloggiati sulla piattaforma di discesa della missione ExoMars 2018 all'interno di una suite di sensori, denominato Dust Suite, dedicato allo studio dei meccanismi di sollevamento della polvere su Marte e degli effetti da questi prodotti sul campo elettrico atmosferico.

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