Power supply and distribution unit design for a scientific exobiology facility in the ISS

Abstract

Bartolomeo é a primeira plataforma comercial instalada no exterior da Estação Espacial Internacional (ISS), e tem o intuito de simplificar o acesso a experiências comerciais à estação. Cada uma das empresas ou instituições que se propôs a realizar experiências nesta plataforma terá de ver os seus equipamentos alimentados por uma unidade de fornecimento e distribuição de energia que assegure performance contínuo, fiável e duradouro. Assim, este documento analisa os requisitos elétricos do sistema e a arquitetura da unidade de fornecimento e distribuição de energia que será alojada na instalação de ciência exobiológica. Esta fonte irá lidar com a proteção contra sub e sobretensões e contra correntes de inrush e também com diferentes limitações de corrente, filtragem e regulações de tensão. Também irá incluir vários sensores de temperatura, que irão permitir monitorizar os pontos de temperatura mais críticos do dispositivo, e circuitos de condicionamento de sinal para efetuar as medições da tensão e corrente na entrada. A unidade foi desenhada com o intuito de controlar o estado das saídas, efetuar as medições dos níveis de tensão e de corrente em todas os equipamentos, e da temperatura tanto no lado de fornecimento como no lado de distribuição da energia e ainda comunicar via porta série com a estação espacial para efeitos de controlo. Como é obrigatório em todas as atividades espaciais europeias, o equipamento tem de estar em conformidade com os requisitos presentes em normas internacionais bastante exigentes. Por esta razão, esta dissertação apresenta duas análises elétricas que foram efetuadas para aumentar a probabilidade de sucesso e maximizar a segurança do sistema. Inicialmente foi realizada uma Worst Case Analysis, de modo a ser possível averiguar sobre a performance do circuito em condições de operação extremas. Posteriormente, foi efetuada uma Part Stress Analysis que examina o stress máximo aplicado a cada componente. Para demonstrar que a unidade de fornecimento e distribuição de energia dimensionada cumpre com os requisitos foram simulados todos circuitos tanto individualmente como em conjunto. Os resultados obtidos permitiram preparar os próximos passos de integração, teste e validação que antecedem a produção do modelo de voo da unidade.

Bartolomeo is Europe’s first commercial platform on the exterior of the International Space Station (ISS), intended to give commercially motivated experiments quick and simplified access to the station. Any instruments that are going to be installed to perform the experiments require a power supply and distribution unit (PSDU) to ensure continuous, reliable and long lasting performance. Thus, this document analyses the electrical requirements of the system and the design architecture of the PSDU to be deployed in the scientific exobiology facility of the platform. The power supply unit deals with over and under-voltage protection, inrush current protection, current limitation, filtering, and voltage regulation. It also includes temperature sensors to monitor the most critical temperature points in the device and a signal conditioning circuit for voltage and current measurements from the input. The power distribution unit was designed to be responsible for the output state control, the voltage and current measurements at all internal instruments, and the serial communication for control purposes. As mandatory for all European space activities, the equipment must be compliant with standard requirements. For that reason, this dissertation presents two electrical analyses that were performed to increase the probability of success and maximize the safety of the system. First, a Worst Case Analysis was performed to determine the performance of the circuit under extreme operating conditions. Then, a Part Stress Analysis was produced to examine the maximum stress applied to each part. The simulations of the electrical analysis show that the PSDU meets the analysed requirements. Based on the results obtained, it was possible to propose the next steps in the analysis and preparation for the integration, testing and validation phase before the production of the Flight Model.