Mecánica, Poder y Diseño de Subsistemas de Propulsión para un CubeSat

Mecánica, Poder y Diseño de Subsistemas de Propulsión para un CubeSat

Resumen

En 1999, los profesores de la Universidad Politécnica del Estado de California (Cal Poly por su abreviación en inglés) y de la Universidad de Stanford detallaron una serie de especificaciones para u pico-satélite simple, el CubeSat había nacido.

Un CubeSat es pequeño, relativamente fácil de construir y económico basados en su diseño estandarizado.

Dichas especificaciones se orientan a “Proveer un diseño estándar para pico-satélites reduciendo así el costo y tiempo de desarrollo... []”. Este tipo de satélites, entre otras cosas, es orientado a un tipo de audiencia Universitaria, quienes construirán Satélites como una manera de introducirse a la realidad en misiones aeroespaciales.

Este artículo representa la parte de características generales de un macro proyecto responsable del diseño y construcción de un CubeSat; el cual presenta la investigación y recopilación de las características estandarizadas que debe presentar un CubeSat, teniendo a consideración costos de manufactura y el método de lanzamiento, sin dejar a un lado aquellas características técnicas que le permitan cumplir con sus “objetivos” y a su vez le brinden el tiempo de vida suficiente tomando en cuenta las condiciones a las que estará sometido a una altura promedio de 800km.

Introducción

La industria aeroespacial actualmente y desde hace algunos años ha estado trabajando con uno de los más seductores y prestigiosos esfuerzos, que es la Exploración espacial. Siendo común que los estudiantes de dicha Ingeniería no cuenten con la oportunidad de trabajar en investigaciones orientadas al espacio, hasta bien entrada su vida laboral. Sin embargo, en 1999, la Universidad Estatal Politécnica de California y la Universidad de Stanford desarrollaron especificaciones para una clase de pico-satélitescierto, los cuales fueron conocidos como CubeSat cuyo pequeño diseño y costo relativamente bajo atrajo las miradas de universidades y compañías.

Además, desarrollaron un sistema de despliegue estandarizado, el Poly-Picosatellite Orbital Deployer (P-POD), permite que cualquier CubeSat sea transportado en órbita siempre ey cuando dicho satélite se adhiera a los criterios estandarizados

Antecedentes

Un CubeSat es un pico-satélite que nació de un interés por contar con un sistema estandarizado en su diseño que las universidades pudieran diseñar, desarrollar y lanzar de una manera más accesible.

        El CubeSat básico consiste en un cubo de 10 cm de arista cuya masa asciende  a los 1.33kg, actualmente es común que los satélites lanzados sean compuestos por dos o tres Cubesat orientados linealmente.

[pic 1][pic 2]

Ilustración 1http://www.nanosats.eu/

Ilustración 2 Doc 1eba512a1388e32e43f7

Durante el lanzamiento, el CubSat es colocado dentro del P-POD, que es un vehículo de lanzamiento estándar para los CubSat.  El P-POD es de tres unidades de largo (el estándar) cuando el CubeSat es de 1U. Con el fin de asegurar una integración exitosa con el P-POD y las estandarizaciones, las especificaciones de diseño rigurosas han sido definidas para los desarrolladores por Cal Poly.

Estructuras Satelitales

1. Funciones primarias de las estructuras Satelitales

La función de la estructura de un satélite es ser el armazón para el montaje de otros sistemas y subsistemas, como también de interfaz con el LV (Vehículo de Lanzamiento).

Una de las consideraciones que se toma en cuenta es que el sistema estructural mecánico pesa entre el 7 y 15% de la masa total del satélite al momento del lanzamiento.

Las funciones más importantes que cumple la estructura de un satélite son:

• Actúa como contacto o interfaz entre el satélite y el vehículo de lanzamiento.
• Dentro de la carga útil del satélite actúa como el soporte de los instrumentos electrónicos,
• Ya que existe radiación, polvo y otras macropartículas en el espacio actúa como pantalla protectora.

Especificaciones Generales del CubSat

1. Consideraciones de Diseño

Consideraciones de diseño más importantes para el diseño de nuestra estructura.

La masa de un satélite es directamente proporcional con el costo de lanzamiento, por lo que resulta elevado lanzar uno de estos al espacio. Por esta razón se procura reducir el peso al mínimo necesario garantizando que no afecte al correcto funcionamiento y seguridad del satélite.

Los materiales que han sido utilizados con mayor frecuencia por su baja densidad y alta resistencia son: aluminio y sus aleaciones, magnesio, titanio, berilio y materiales compuestos.

Una consideración adicional es que debemos proteger al satélite contra la colisión de cuerpos espaciales como meteoritos u otro tipo de partículas que flotan en el espacio, entonces la estructura exterior debe soportar los impactos o golpes generados por las partículas o por los cuerpos anteriormente mencionados.

Los principales papeles en los cuales la estructura tiene un rol muy importante son: la operación confiable en el espacio, los procesos de separación entre el vehículo de lanzamiento y el satélite, despliegue y orientación de los paneles solares así como el direccionamiento de la antena y demás funciones.

Estos pico-satélites se posan en la órbita LEO (Low Earth orbit), que son orbitas bajas comprendidas entre 200 y 1200Km sobre la superficie de la tierra, entre la atmosfera y el cinturón de radiación de Van Allen . Esto se debe a que sus misiones sean cumplidas a cabalidad como experimentación científica, observación astronómica, comunicaciones, etc.

1. Condiciones Ambientales que pueden afectar los sistemas mecánicos

1. El ambiente térmico

Una característica importante del ambiente espacial es su alto vacío, o la ausencia virtual de presión atmosférica. La conductividad térmica de la atmosfera de la Tierra es una función de gradientes de temperaturas atmosféricas y es independiente de variaciones en presión o densidad en altitudes debajo de 90Km, sin embargo, sobre los 90Km, la trayectoria libre molecular llega a ser comparable con la distancia en que el gradiente de temperatura varia apreciablemente, y la conductividad térmica sede para ser una presión independiente. Por lo tanto la transferencia de calor en el espacio solo se realiza por: